bài 5.1.docx Sinh học di truyền đại cương năm nhất của học sinh y đa khoa
Bg hoa duoc_3_c_van_
1. CHƯƠNG 1: VITAMIN
Đại cương
Vitamin là nhóm các hợp chất có phân tử lượng tương đối nhỏ, có tính chất lý
hóa khác nhau nhưng đặc biệt cần thiết cho hoạt động sống của bất kỳ cơ thể sinh vật
nào.
Vitamin cần cho cơ thể sống với lượng rất nhỏ xấp xỉ 0,1-0,2g (trong khi các
chất dinh dưỡng khác khoảng 600g) và có vai trò như chất xúc tác.
Cho đến nay đã có được 30 loại vitamin, xác định được cấu trúc hóa học, khảo
sát về tính chất vật lý, tính chất hóa học cũng như tác dụng sinh học của chúng.
Cách gọi tên vitamin: có ba cách:
- Dựa vào tác dụng sinh lý của vitamin thêm “anti” vào bệnh đặc trưng thiếu
vitamin.
- Dựa vào chữ cái.
- Dựa vào cấu trúc hóa học.
Thí dụ: vitamin C, tên hóa học: axit ascocbic, antisocbut.
Phân loại:
Các vitamin được phân nhóm trên các cơ sở sau:
- Khả năng hòa tan
- Vai trò sinh hóa
- Cấu trúc hóa học
Cách phân loại thông dụng nhất được chấp nhận là phân loại theo khả năng hòa
tan, có thể chia vitamin làm hai nhóm lớn:
1. Nhóm vitamin hòa tan trong nước: Vitamin B1 (tiamin), Vitamin B2
(riboflavin), Vitamin B3 (axit pantotenic), Vitamin B5 (nicotinamit), Vitamin B6
(piridoxin), Vitamin B7 (biotin), Vitamin B10 (axit folic), các vitamin B12 (các
cianocobalamin), vitamin B15 (axit pangaminic), vitamin C, vitamin P (citrin),
vitamin U (S-metyl-metionin).
2. Nhóm vitamin hòa tan trong dầu béo: Vitamin A (antixerophtalmias), các
vitamin D, các vitamin E, các vitamin K
- Các loài vitamin tan trong nước xúc tác và tham gia vào quá trình liên quan với
sự giải phóng năng lượng (như oxi hóa khử, phân giải các chất hữu cơ) trong cơ
thể.
- Các loài vitamin tan trong chất béo (dầu) tham gia vào các quá trình hình thành
các chất trong các cơ quan và mô.
* Tính chất sinh học của các nhóm vitamin
Nhóm các Prostetic vitamin
Nhóm các inductive vitamin
Các vitamin
Các vitamin B và K
Các vitamin A, C, D và E
Tồn tại tự nhiên
Thông thường
Chỉ trong những loại tế bào nhất
định của cơ thể động vật bậc cao
Vai trò của chúng Không thể thiếu được trong trao Chỉ tham gia thực hiện một số
đổi chất. Tối cần thiết cho sự nhiệm vụ đặc biệt. Không phải là
sống. Là phần của coenzim
yếu tố không thể thiếu cho sự sống.
Không đóng vai trò trong sự tạo
thành của coenzim.
Nồng độ của Rất ổn định
Thay đổi mạnh
chúng trong mô
-1-
2. Tồn tại trong máu Chủ yếu trong các tiểu phân có
hình dạng
Khả năng tổng Các vi khuẩn ruột tổng hợp ra
hợp trong cơ thể
Khả năng ngăn Có tất cả các kháng vitamin
cản hoạt động tương ứng
của chúng
Sử dụng quá liều Thực tế không có sử dụng quá
liều
Chủ yếu ở trong huyết tương
Trong ruột không tự tổng hợp ra
được
Không có các kháng vitamin thích
hợp
Trong mọi trường hợp đều có thể
gây ra quá liều
* Tác dụng bổ sung lần nhau của các vitamin
Thông thường các vitamin trong cùng một nhóm có tác dụng bổ sung, hoàn
thiện, làm tăng tác dụng của nhau. Các nhóm đại diện cùng tác dụng như thế này
gồm có:
- Nhóm các vitamin làm tăng khả năng chống lại viêm nhiễm gồm có vitamin A,
B1, B2, C, D, H, P.
- Nhóm các vitamin bảo đảm cho hệ thần kinh hoạt động hoàn hảo gồm vitamin A,
B1, B2, C.
- Nhóm các vitamin khởi động việc tạo máu gồm có vitamin A, B2, B12, axit folic,
C, D.
- Nhóm các vitamin chi phối tới việc tạo mô xương và răng gồm có vitamin A, B1,
C, D.
- Nhóm các vitamin chi phối tới hoạt động sinh dục gồm có A, C, E.
- Nhóm trợ giúp sự tăng trưởng: gồm tất cả các vitamin trừ vitamin H.
* Nhu cầu cần thiết của các vitamin
Chữ ký Tên
hiệu các
vitamin
Bệnh
vitamin
thiếu Nhu cầu
hàng
ngày
[mg]
Khô
mắt 1,5-2,0
(xerophthalmia),
phù đại giác
mạc
(hyperkeratosis)
A
Axerophtol
D
Calciferol
Còi
xương 0,025
(rachitis)
E
Tocopherol
Các rối loạn về (20)
sinh sản
-2-
Một đơn vị Lượng
quốc tế (1 gây độc
NE)
0,34 mg A- Người
axetat
lớn: 60,6 mg β- 10 triệu
carotin
NE
Trẻ em:
25-45
nghìn
NE
0,025
µg Hàng
ergocalciferol ngày
trên
100-150
ngàn NE
1mg
α- tocopherolaxetat
3. K
Vitamin chống Các rối loạn về (0,1)
1 µg 2-metyl- xuất
huyết đông máu
1,4(antihemorragias)
naftoquinon
B1
Thiamine
Bệnh tê phù 1-2
3
µg (beriberi)
thiamin.HCl
Bệnh viêm thần
kinh
(polyneuritis)
B2
Riboflavin
Viêm giác mạc 1,5-2
5
µg (keratitis)
riboflavin
Viêm
da
(dermatitis)
B3
Nicotinamide
Bệnh
thiếu 15-20
vitamin
PP
(pellagra)
B6
Pyridoxine
Bệnh động kinh 1-2
(epileptiform)
Bc (M)
Folic acid
Hồng cầu khổng 1-2
lồ
(megaloblastis),
thiếu
máu
(anemia)
B5
Pentothenic acid Triệu
chứng (10)
Burning – Feet
B12
Cyanocobalamin Thiếu máu ác (0,001)
tính (anaemiapernicious)
C
Ascorbic acid
Bệnh
thiếu 75
0,05 mg axit
vitamin
ascorbic
( ) = nhu cầu hàng ngày chỉ số liệu ước tính
1.1. Các loài vitamin tan trong chất béo (dầu)
1.1.1. Vitamin A và tiền vitamin của nó (caroten):
Từ năm 1909, Step đã tìm ra vai trò của vitamin A và caroten bằng cách cho
chuột ăn thực phẩm đã lấy hết chất tan trong chất béo thì chuột gầy và chết.
Osborn, Mendel (1920), Eiler (1929) và Mur (1930) đã cho rằng caroten là
provitamin A (tiền vitamin A). Trong thực vật lượng caroten phụ thuộc vào màu
xanh: rau màu xanh thẩm chứa nhiều caroten hơn rau màu xanh nhạt.
- Vitamin A được gọi là chất chống lồi mắt hay axerophtol
- Triệu chứng thiếu vitamin A: quáng gà, lúc tranh tối tranh sáng không nhìn
thấy.
- Tác dụng của các vitamin A: bảo vệ mắt, giúp cơ thể tăng trưởng, tăng sự tạo
máu, đảm bảo các hoạt động về giống.
- Thiếu vitamin dẫn đến các nguy cơ:
+ Chậm lớn và ngừng phát triển.
+ Sừng hóa các màng nhầy ( ở niệu đạo, phế nang, đường tiêu hóa,..) đặc biệt là
sừng hóa ở giác mạc gây mù hòa.
-3-
4. + Dễ bị lây nhiễm.
Vitamin A có hai dạng quan trọng là vitamin A1 và A2.
OH
Vitamin A1: Retinol
OH
Vitamin A2: 3,4-dehydroretinol
Tính chất: Vitamin A1 và A2 có thể tồn tại dưới nhiều dạng đồng phân hình
học, nhưng chỉ có một số dạng có hoạt tính sinh học mà thôi. Vitamin A tham gia
vào quá trình trao đổi lipit, gluxit, và muối khoáng. Khi thiếu vitamin A dẫn đến
các hiện tượng:
- Giảm sự tích lũy protein ở gan và ngừng tổng hợp abumin ở huyết thanh.
- Giảm lượng glicogen và tăng tích lũy axit pivuric ở não, cơ và gan do ảnh
hưởng làm giảm vitamin B1 và axit lipoic cần thiết để chuyển hóa axit pivuric.
- Làm tăng sỏi thận và làm giảm kali ở nhiều bộ phận khác nhau.
Vitamin A tham gia vào việc duy trì trạng thái bình thường của biểu mô, tránh
hiện tượng sừng hóa.
Vitamin A có nhiều trong các động vật biển: gan cá, trứng, ở thịt ít vitamin A
hơn. Các loài củ quả có màu đỏ da cam như cà chua, cà rốt có chứa nhiều tiền
vitamin A. Tiền vitamin A là -caroten:
- Sản xuất vitamin A (retinol)
Trong công nghiệp, vitamin A được sản xuất từ hai nguồn nguyên liệu là gan
cá biển và hóa chất qua con đường tổng hợp hóa học.
Sản xuất vitamin A từ gan cá biển:
Nguyên liệu chính là gan cá thu, cá mập, cá voi,...Ở Việt Nam chỉ có nhà máy
cá hộp Hạ Long ở Hải Phòng khai thác và sản xuất dầu gan cá biển. Hàm lượng
vitamin A trong dầu gan các loại cá rất khác nhau. Theo các nhà sản xuất ở Pháp
thì hàm lượng như sau:
+ Cá thu: 600-1000 iu/g
1 IU = 0,3 microgam
retinol
-4-
5. + Cá fletan: 25.000-60.000 iu/g
+ Cá thon trắng: 10.000 iu/g
+ Cá thon đỏ, cá mập: 25.000 iu/g
Cách sản xuất dầu gan cá tùy thuộc vào hàm lượng vitamin A chứa trong dầu
cao thấp khác nhau mà có phương pháp sản xuất cũng khác nhau:
+ Phương pháp sản xuất dầu gan cá hàm lượng vitamin thấp
Cá tươi mổ lấy gan, ướp muối hoặc ướp đá.
Rửa sạch, thái hay xay, ép lấy dầu.
Để lạnh ở 0-3oC, lọc ly tâm, thu lấy dầu. Chú ý tránh ánh sáng và nhiệt độ
lạnh để tránh phân hủy. Dầu gan cá rất kỵ một số kim loại nặng như Fe hay
CH2Cl2
+ Phương pháp sản xuất dầu cá đậm đặc
Chiết dầu gan cá với etanol. Cất loại cồn trong chân không.
Cần xử lý với NaOh (xà phòng hóa)
Xử lý với CaCl2 tạo muối không tan, ly tâm.
Chiết cạn với axeton, bay hơi, chiết ete.
+ Phương pháp sản xuất dầu cá cô đặc bằng chưng cất phân tử
Điểm sôi của dầu gan cá khá cao nên được cất ở chân không cỡ 0,05 mmHg.
Sau đó cất vitamin A ở 0,001 mmHg từ 50-60oC
Sản xuất vitamin A bằng con đường tổng hợp
Điều chế vitamin A-acetat đi từ citral qua β-ionon và ahdehit 14:
+ Điều chế andehit C14
H3C
H3C
CH3
H3C
CH3
CH3
CH3
CH3
CHO
H
O
axeton/H
CH3
CH3
18-8
CH3
18-9
18-20
beta-ionon
citral (geranial)
H3C
CH3
O
CH
ClCH2COOC2H5
CH
C
H
CH
CH3
18-21
CH3
H3C
CH3
CH2
CH
C
CHO
CH3
CH3
18-22
+ Điều chế hợp chất trung gian 18-26
-5-
andehit C14
COOC2H5
6. CH
CH3 - CO - CH=CH2
C
C
NH3 long
18-23
CH3
CH3
C)2Ca
(HC
C
CH
CH=CH2
C
C
CH
CH2OH
18-25
OH
CH3
CH
C
CH3
CH
+
CH2OH
BrMgC
2 C2H5MgBr
C
18-25
C
CH
CH2OMgBr
18-26
+ Điều chế Vit-A-axetat
H3C
CH3
CH2
CH
C
CHO
18-26
H3C
CH3
CH3
CH3
C
C
C
C
CH3
CH3
CH - CH2OMgBr
OMgBr
18-22
18-27
CH3
CH3
H3C
CH3
H2O + NH4Cl
CH2
H
C
CH=C
C
C
C
CH - CH2OH
OH
CH3
CH3
CH3
H2, Pd/CaCO3 H3C
CH3
CH2
H
C
CH=C
CH
C
H
C
CH - CH2OH
OH
CH3
H3C
CH3
CH3
CH3
1)Ac2O/pyridin
OCOCH3
2) HBr
3) NaHCO3
CH3
18-4
vitamin A-acetat (retinylaxetat)
+ Điều chế retinal của Glaxo
-6-
7. H3C
CH3
H3C
O
CH3
C
OH
CH
CH
CH3COCH=CH - CH=C(CH3) - CH=CH2
CMgX
CH3
CH3
18-30
18-31
CH3
H3C
CH3
C
C
C
CH = CH - CH =C(CH3) - CH=CH2
hidro hoa rieng phan
OH
OH
CH3
18-32
CH3
H3C
CH3
H
C
C
H
C
OH
CH = CH - CH =C(CH3) - CH=CH2
dehidrat hoa va dong phan hoa
OH
CH3
18-33
CH3
CH3
OH
18-1
retinol
+ Sản xuất các tiền vitamin A (các caroten)
Trong thực vật thường không tìm thấy vitamin A mà chỉ có các tiền vitamin A,
cũng như trong cơ thể người, bản thân tự nó không thể tổng hợp được vitamin A
nhưng từ tiền vitamin A nhận được từ các chất dinh dưỡng thực vật trong gan và
theo kết quả nghiên cứu mới nhất là cả trong ruột cũng được chuyển hóa thành
vitamin A. Ngoại trừ các động vật ăn thịt thì do chúng không ăn thức ăn thực vật
nên như vậy lượng vitamin A cần thiết chỉ được lấy từ thịt động vật mà nó ăn vào.
Tiền vitamin A đều thuộc nhóm các caroten. Các chất mang đặc tính tiền
vitamin A là các caroten chứa polien, lipocrom, là những chất màu có thể hòa tan
-7-
8. trong mỡ, trong các dung môi hòa tan mỡ. Đại diện quan trọng nhất của caroten là
α-caroten (18-30), β-caroten (18-6), γ-caroten (18-31) và criptoxanten (α-hidroxiβ-caroten) (18-32). Các chất này cùng tồn tại trong tự nhiên. Công thức chỉ khác
nhau ở phần R.
H3C
CH3
CH3
CH3
R
CH3
CH3
CH3
Tên α-caroten (18-30)
H3C
R
H3C
β-caroten (18-6)
γ-caroten (18-6)
Criptoxanten (18-32)
H3C
H3C
H3C
H3C
CH3
CH3
H3C
CH3
OH
H3C
CH3
Các loại caroten có tính chất vật lý cũng tương đối khác nhau, sau đây là một
số tính chất đó của chúng:
α-caroten
β-caroten
γ-caroten
o
Độ chảy [ C]
187
183
152-153
λmax
454 , 485
450 , 476
437, 462, 494
Màu
Tinh thể lăng trụ, Tinh thể lăng trụ 6 Bột vô định hình,
đỏ - tím
cạnh, đỏ đậm
màu đỏ
Trong cấu tạo của tất cả các hợp chất này đều có chứa nhóm cấu trúc β-ionon
đặc trưng của vitamin A. Việc chuyển hóa các tiền vitamin A thành vitamin A
được enzim carotinase thực hiện bằng cách lấy lên phân tử nước và cắt mạch
thẳng. Như trong cấu tạo của β-caroten, ta thấy nó hoàn toàn đối xứng và về mặt lý
thuyết, từ một phân tử β-caroten có thể tạo ra 2 phân tử vitamin A. Nhưng kinh
nghiệm thực tế cho thấy việc phá hủy phân tử không mang tính đỗi xứng và vì thế
cứ từ khoảng 100 phân tử β-caroten thì bình quân chỉ tạo ra được 40 phân tử
vitamin A, còn các tiền vitamin A khác thì hiệu suất tạo ra vitamin A còn thấp hơn.
Nguồn nguyên liệu chứa caroten:
+ Trong các loài cây và quả (thực vật): cà rốt, dầu dừa, gấc, bí ngô,…
+ Trong rong biển
H3C
CH3
CH3
CH3
R
CH3
CH3
CH3
Tên
Echinenon (18-33)
-8-
Torularhodin (18-34)
9. O
R
H3C
H3C
H3C
H3C
COOH
CH3
+ Sản xuất β-caroten bằng phương pháp chiết suất từ thực vật
Từ carot, sấy khô, xay nhỏ, chiết với ete, dầu hỏa hoặc axeton thu được dịch
chiết. Cô chân không thu được cặn chiết. Làm lạnh cho kết tinh, lọc, rửa lại với ete
dầu hỏa lạnh.
Từ 20kg cà rốt thu được 1g caroten.
+ Sản xuất β-caroten bằng tổng hợp hóa học
Có nhiều phương pháp được công bố nhưng đều tuân theo phương pháp tổng
hợp hội tụ sau:
C19 + C2 + C19 = C40
C16 + C8 + C16 = C40
C18 + C4 + C18 = C40
C14 + C12 + C14 = C40
Sau đây là quy trình sản xuất β-caroten theo nguyên lý: C19 + C2 + C19 = C40 (4
giai đoạn)
a, Giai đoạn tổng hợp andehit C16(18-37): xuất phát từ andehit C14
-9-
13. - Công dụng:
Chống khô giác mạc
Có tác dụng tái tạo mắt, làm tăng tỉ lệ hồng cầu
Là nhân tố điều trị bệnh lây nhiễm (nhiễm khuẩn)
- Liều dùng: Liều dùng vitamin A thường được biểu diễn bằng các đơn vị quốc
tế (IU) hay đương lượng retinol (RE), với 1 IU = 0,3 microgam retinol. Do sản
xuất retinol từ các tiền vitamin trong cơ thể người được điều chỉnh bằng lượng
retinol có sẵn trong cơ thể, nên việc chuyển hóa chỉ áp dụng chặt chẽ cho thiếu hụt
vitamin A trong người. Việc hấp thụ các tiền vitamin cũng phụ thuộc lớn vào
lượng các lipit được tiêu hóa cùng tiền vitamin; các lipit làm tăng sự hấp thụ tiền
vitamin.
Chất và môi trường hóa học của nó
Microgam retinol tương đương trên microgam
chất
Retinol
1
Beta-caroten, hòa tan trong dầu
½
beta-caroten, thức ăn thông thường
1/12
alpha-caroten, thức ăn thông thường
1/24
Beta-cryptoxanthin, thức ăn thông
1/24
thường
1.1.2. Vitamin E (Tocoferol)
Ba dẫn xuất vitamin E là: dạng , , - tocoferol. Tất cả vitamin E đều có
nhóm C16H33(-(CH2)3-CH-CH3). Các dạng này khác nhau do sự sắp xếp các nhóm
metyl ở vòng benzopiran: -tocoferol khác -tocoferol ở vị trí 7 không chứa
nhóm metyl còn - tocoferol thiếu nhóm metyl ở vị trí 5. Công thức cấu tạo của
- tocoferol như sau:
-13-
14. CH3
HO
H3C
O
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
Tocoferol chất lỏng không màu, hòa tan tốt trong dầu thực vật, rượu và ete.
Tocoferol khá bền với nhiệt, có thể chịu đựng nhiệt độ 1700C khi đun nóng trong
không khí. Tuy nhiên tia tử ngoại phá hủy nhanh tocoferol.
Vitamin E ảnh hưởng quá trình sinh sản của động vật, giúp bảo đảm chức năng
bình thường của nhiều mô và cơ quan. Vitamin E làm tăng tác dụng của protein và
vitamin A, ngoài ra nó còn có tác dụng ngăn cản các axit béo chưa no khỏi bị oxi
hóa. Khi thiếu vitamin E, sự tạo phôi sẽ bị cản trở, đồng thời xảy ra sự thoái hóa cơ
quan sinh sản, teo cơ, thoái hóa tủy sống và suy nhược cơ thể.
Do tính chất chống oxy hóa mạnh nên trong kỹ nghệ dầu mỡ, vitamin E được
dùng làm chất bảo vệ chất béo khỏi bị oxy hóa và tránh hiện tương ôi. Nguồn
nguyên liệu để điều chế vitamin E là mầm lua mì. Vitamin E có nhiều trong bí, rau
xà lách, dầu thực vật, chuối.
1.1.3.Vitamin K
Vitamin K là một trong những yếu tố tham gia vào qua trình đông máu.
Vitamin k là những dẫn xuất của naphtoquinon, có hai loại:
- Vitamin K1 dạng dầu vàng nhạt, kết tinh ở - 200C, ở nhánh bên chỉ chứa 20
nguyên tử carbon.
O
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
O
- Vitamin K2 tinh thể nóng chảy ở 520C, ở cấu tạo nhánh bên chưa 30-45 nguyên
tử carbon.
O
CH3
CH3
CH3
CH3
n=5-8
CH3
O
Vitamin K2
Vitamin K không tan trong nước chỉ tan trong chất béo và các dung môi như
ete, rượu, benzen, axeton. Bị phân hủy nhanh dưới tác dụng của tia tử ngoại do cấu
trúc quinon bị biến đổi, ngoài ra nó cũng bị phân hủy nhanh chóng khi đun nóng
trong môi trường kiềm.
Khi thiếu vitamin K thời gian đông máu sẽ bị kéo dài. Hoạt tính của vitamin K2
chỉ khoảng 60% vitamin K1. Ở người bệnh thiếu vitamin ít xảy ra vì ở ruột có các
-14-
15. vi khuẩn có khả năng tổng hợp vitamin này. Tuy nhiên khi sự hấp thụ vitamin K bị
ức chế hoặc sự tổng hợp vitamin K gặp khó khăn sẽ xuất hiện triệu chứng thiếu
vitamin K.
Vitamin K có nhiều trong các loại rau xanh, cà chua, cà rốt, giá đỗ. Ở nguồn
động vật vitamin K có trong gan, thận, và thịt, thị đỏ giàu vitamin K hơn thịt trắng.
1.1.4. Vitamin D
a, Tác dụng sinh học và hóa học của vitamin D
Vitamin D bao gồm một số dạng có cấu trúc gần nhau như vitamin D1, D2, D3,
D4, D5, …
Name
Vitamin D1
Chemical composition
Structure
molecular compound of
ergocalciferol
with
lumisterol, 1:1
Vitamin D2
ergocalciferol (made from
ergosterol)
Vitamin D3
cholecalciferol
(made
from 7-dehydrocholesterol
in the skin).
Vitamin D4
22-dihydroergocalciferol
Vitamin D5
sitocalciferol (made from
7-dehydrositosterol)
Tuy nhiên chỉ 2 dạng D2 và D3 là phổ biến và có ý nghĩa.
Khi thiếu vitamin D, ở trẻ em sẽ dẫn đến các triệu chứng như suy nhược cơ thể,
chậm mọc răng, xương trở nên mềm và cong. Bệnh còi xương ở trẻ em có thể xảy
ra từ 3-4 tháng tuổi kéo dài đến 1-2 tuổi. Hiện tượng còi xương cũng có thể gặpở
tuổi muộn hơn: 5-7 tuổi.
-15-
16. CH2
Vitamin D2
Ergocanxiferol
Vitamin D3
Cholecanxiferol
Ngoài ra vitamin D tham gia vào quá trình tiêu hóa, trao đổi canxi, photpho,
làm tăng hàm lượng photpho ở huyết thanh và chuyển hóa phôtpho ở dang hợp
chất hữu cơ thành dạng hợp chất vô cơ trong cơ thể.
Trên da người có 7- dihidro cholesterol, là tiền vitamin D, dưới ánh sáng mặt
trời sẽ chuyển thành vitamin D. Do đó tắm nắng cũng là một biện pháp để chữa trị
tre con bị còi xương.
Vitamin D dạng tinh thể nóng chảy ở 115-1160C, không màu, không tan trong
nước, chỉ tan trong: clorofom, benzen, axeton, và rượu. Vitamin D dễ bị phân hủy
khi có mặt các chất oxi hóa và axit vô cơ.
Trẻ em, phụ nữ mang thai và cho con bú có nhu cầu về vitamin D cao hơn.
Nguồn vitamin đối với người là gan cá, mỡ cá, lòng đỏ trứng, sữa, nấm men.
Ánh sáng tử ngoại có thể biến tiền vitamin D thành vitamin D ở bước sóng
250-300μm.
Các tiền vitamin D là những hợp chất chứa khung steroit 4 vòng liên hợp và
các mạch nhánh khác nhau. Bao gồm tiền vitamin D3 (18-44), tiền vitamin D2 (1845), tiền vitamin D4 (18-46), tiền vitamin D5 (18-47) và tiền vitamin D6 (18-48).
18
C
3
H
19
C
C
3
A
B
HO
-16-
D
17. CH3
H3C
18-44
CH3
R=
17
CH3
H3C
18-45
ergosterol
(pro-vitamin D2)
CH3
R=
17
(3-beta)-7-dehydro cholesterol
(pro-vitamin D3)
CH3
CH3
H3C
18-46
CH3
R=
17
22,33-dihidro-ergosterol
(pro-vitamin D4)
CH3
C2H5
CH3
18-47
R=
17
7-dehydro-sitosterol
(pro-vitamin D5)
CH3
H3C
7-dehydro-stigmasterol
(pro-vitamin D6)
CH3
C2H5
H3C
18-48
R=
17
CH3
Từ các tiền vitamin bằng việc cắt mở vòng B thì các vitamin D tương ứng được
tạo thành:
- Vitamin D3 là vitamin D tự nhiên bởi vì dehidro-cholesterol được tích trữ lại
dưới da của người và các động vật có vú. Dưới tác dụng của tia tử ngoại thì vitamin
D3 được tạo ra ở đó.
- Ngoài 2 tiền vitamin D tự nhiên là 18-45, 18-46 thì còn có ba tiền vitamin D
nhân tạo cũng được biết tới đó là 18-46, hợp chất có thể bắt nguồn từ 18-44, tiếp nữa
là từ sitosterol thực vật hoặc stigmasterol dẫn đến 18-47 hoặc 18-48. Cả 5 tiền vitamin
D này đều có bộ khung steroit (khung đa vòng) giống nhau, chỉ khác nhau phần mạch
nhánh. Ergosterol là tiền vitamin có duy nhất một nối đôi ở phần mạch nhánh.
-17-
18. 18-44 vitamin D2
18-45 vitamin D3
Nguyên tắc chung tổng hợp vitamin D:
Tiền vitamin D UV vitamin D
b, Nguồn nguyên liệu và sản xuất một số sản phẩm của vitamin D
Trong công nghiệp chủ yếu chỉ sản xuất hai loại là vitamin D2 và provitamin D,
còn vitamin D thiên nhiên được chiết xuất từ dầu gan cá cùng với vitamin A như đã đề
cập trong sản xuất dầu gan cá. Ngoài ra vitamin D có trong một số sản phẩm động vật
nhưng tỷ lệ tương đối thấp.
Nguồn nguyên liệu chủ yếu để sản xuất vitamin D2 là ergosterol lấy từ nấm
men (levure) hoặc sinh khối sản xuất penicillin.
b1. Sản xuất ergosterol (provitamin D2)
- Sản xuất sinh khối chứa ergosterol
Trong lên men mốc penicillin đế sản xuất kháng sinh, sau khi thu kháng sinh
penicillin còn lại khối khuẩn ty có chứa khoảng 15% chất khô trong đó hàm lượng
ergosterol là khoảng 0,5% (Nếu một phân xưởng sản xuất penicillin có thể tích thiết bị
lên men 500m3, một năm có thể thải ra khoảng 350 tấn khuẩn ty khô từ đó có thể chiết
lấy ra khoảng 1500-1900 kg ergosterol. Trong khuẩn ty penicillin có cả vitamin B1
(25-35mg/kg), vitamin B2 (10-25mg/kg).
Cũng có thể thu ergosterol từ khuẩn ty lên men Aspergillus niger.
Nấm men cũng là nguồn nguyên liệu để chiết lấy ergosterol. Men làm bánh mì
sau khi ép có khoảng 0,18-0,25%, có loại đến 3% ergosterol chứa trong men sấy khô
(nấm men còn là nguồn nguyên liệu để sản xuất phức hợp vitamin (B1, B2, PP, H,
PAD, axit folic,…) đồng thời là nguồn đạm giàu dinh dưỡng (gần với đạm động vật)
được dùng rộng rãi trong việc chống suy dinh dưỡng ở các cộng đồng thiếu nguồn
đạm, ngoài ra còn dùng trong chăn nuôi. Từ những thập kỷ sáu mươi của thế kỷ XX,
nấm men đã được sản xuất nhiều trong qui mô công nghiệp.
- Chiết lấy ergosterol từ sinh khối hoặc nấm men
Trong nấm men, các vitamin và ergosterol liên kết rất chắc với các protein vì
thế muốn chiết xuất ergosterol cần phản thủy phân phá hủy liên kết với protein.
Thường việc thủy phân được tiến hành bằng axit hay enzim (thủy phân kiềm ít dùng
vì các vitamin nhóm B bị phá hủy). Đơn giản nhất là sử dụng quá trình tự phân
(autolyse): Khi để ở 40-45oC protease có trong tế bào nấm men làm phá vỡ các liên
kết protein-vitamin, protein- ergosterol để giải phóng ra các vitamin và ergosterol ở
trạng thái tự do. Sau đó chiết lấy các vitamin B bằng nước và ergosterol bằng ancol.
Quy trình sản xuất thường được tiến hành như sau:
+ Chiết phức hợp vitamin B: Cho nấm men ép khô (100kg) vào nồi chịu áp suất
hai vỏ, thêm vào đó 20 lít nước và đun 1100C trong vòng 25-30 phút, sau đó cho vào
dịch thủy phân 80 lít cồn để nồng độ đạt 50%. Khuấy 45-50 phút ở nhiệt độ 75-780C
để làm đông tụ anbumin. Làm lạnh đến 100C để lắng anbumin. Lọc, phần dịch lọc
chứa phức hợp vitamin B, phần bã chứa ergosterol. Phần dịch lọc cất thu hồi cồn trong
áp suất giảm đến dung dịch phức hợp vitamin B chứa 50% chất khô, sau đó làm khô
thu được hỗn hợp vitamin B. Phần bã được hút khô trong chân không đến hết cồn, sấy
chân không để có độ ẩm < 2%, đây là nguyên liệu để chiết lấy ergosterol.
+ Chiết phân lập lấy ergosterol (18-44, provitamin D2): Cho bã nấm men đã sấy
khô ở trên vào thiết bị hai vỏ, cho vào đó bốn phần cồn, đun hồi lưu trong 1 giờ. Lọc,
bã chiết thêm 2 lần như thế. Dịch cồn gộp lại, cất chân không thu hồi cồn, cặn khô còn
-18-
19. lại chứa lipit (Từ 100kg nấm men thu được khoảng 25 kg lipit). Cho lượng lipit trên
vào dung dịch NaOH 45% và đun nóng để xà phòng hóa. Sau đó làm lạnh xuống 00C50C để kết tinh ergosterol. Lọc thu được ergosterol thô (trong dịch lọc chứa muối natri
của các axit béo). Kết tinh lại ergosterol trong hỗn hợp dung môi cồn-toluen 4:1. Sấy
khô thu được ergosterol. Có thể tinh chế ergosterol trong cồn 950 hoặc trong CHCl3
hay trong ete, axeton. Sản phẩm ngậm 1.5 H2O có độ chảy 1660C. Phổ UV có λmax ở
263, 271, 282, 293 nm. Tinh thể dễ bị ánh sáng chuyển thành màu vàng. Cần bảo quản
ở lạnh (<00C) và trong khí trơ.
b1. Sản xuất vitamin D2 (ergocalaferol, 18-49)
Nguyên tắc của sự chuyển hóa của ergosterol thành ergocalaferol và các hợp
chất khác, dưới tác dụng của tia tử ngoại. dưới tác dụng của tia cực tím thì bước đầu
precalciferol được tạo thành, chất này ngoài việc tạo ra sản phẩm mong muốn có tác
dụng vitamin D là ergcalciferol (vitamin D7), nó còn tạo ra 2 hợp chất có độc tính,
không có tác dụng vitamin D là lumisterol, tachysterol.
+ Quá trình chiếu xạ, điều chế vitamin D2
Hòa tan ergosterol trong ete để có nồng độ 0,3-0,5%, cho dung dịch này đi qua
ống có chiếu sáng bằng đèn thạch anh dùng ánh sáng thủy ngân với bước sóng cực tím
vùng 275-300nm ở nhiệt độ sôi của dung môi. Dịch phản ứng sau khi chiếu xạ là chất
lỏng sánh, cất loại dung môi đến khi dung dịch có nồng độ tăng lên 100 lần (lúc này
thành phần các chất có trong dịch phản ứng như sau: ergocalaferol 55-60%, ergosterol
còn thừa chưa chuyển hóa 10-13%, lumisterol 15-20%, tachysterol 10-12%. Làm lạnh
xuống 8-100C để kết tinh ergosterol chưa phản ứng. Tinh thể ergosterol tạo ra được
lọc, dịch lọc cô dưới áp suất giảm ở 50mmHg để loại hết ete, thu được cặn.
Cặn được hòa tan trong hỗn hợp ete-metanol 1:2, sau đó bốc hơi đi 50% dung
môi và để kết tinh các sterol (cả lumisterol và tachysterol). Lọc, dịch lọc được đuổi hết
dung môi, thu được cặn dạng “nhựa” này chủ yếu là ergocalaferol. Để có thể tách
được ergocalaferol (vitamin D2) sạch cần phải chuyển sang dạng este dinitrobenzoat
của nó.
+ Tạo este dinitrobenzoat của vitamin D2 (ergocalaferol dinitrobenzoat)
Cho “nhựa” (1kg) ở trên vào 2,5 lít piridin dùng khí nitơ hoặc CO2 vào đuổi
oxi, khuấy cho tan sau đó cho vào đó 0,8kg 3,5-dinitrobenzoyl clorua, duy trì để nhiệt
độ phản ứng không lên quá 600C. Tiếp tục khuấy trong 4h. Sau đó cất chân không ở
50mmHg để loại bớt một nửa lượng piridin. Tiếp đó cho hỗn hợp trên 6,5 lít nước
nóng 500C, khuấy kỹ và để lắng. Gạn loại nước-piridin, gạn và lại rửa cho đến lúc hết
piridin. Cuối cùng ngâm và khuấy cặn với 2,5 lít metanol để loại axit dinitrobenzoic.
Lọc loại dịch metanol. Cặn được hòa tan trong axeton, tẩy màu bằng than hoạt tính
(1,5-2%), dịch lọc được làm lạnh ở -100C qua đêm. Tinh thể tạo ra được đem lọc, sản
phẩm este màu vàng có độ chảy 145-1470C (H=30%) so với “nhựa” đó là
ergocalaferol dinitrobenzoat.
+ Thủy phân este ergocalaferol dinitrobenzoat tạo ergocalaferol (vitamin D2)
Cho lượng ergocalaferol dinitrobenzoat ở trên hòa tan trong dung dịch KOH
5% trong metanol sau đó đun hồi lưu cho đến khi màu vàng biến mất và tủa màu tím
xuất hiện. Lọc nóng loại tủa kalidinitrobenzoat (trong luồng khí nitơ). Dịch lọc được
pha loãng với nước sôi đến khi xuất hiện vẩn đục khi đang nóng. Sau đó làm lạnh
xuống -5 đến -10oC. Tinh thể tạo ra được lọc, rửa lại với nước lạnh hoặc cồn loãng
-19-
20. 10% lạnh. Sấy khô thu được ergocalciferol (H=75%). Sản phẩm tinh thể màu trắng có
độ chảy 113oC-114oC, αD=82,6. Nếu chưa đạt thì kết tinh lại trong metanol.
c, Công dụng và liều dùng của vitamin D
Vitamin D và các dẫn xuất có công dụng trên 3 nhóm bệnh
- Phòng và điều trị còi xương do suy dinh dưỡng
+ Còi xương và suy dinh dưỡng nguyên nhân là do thiếu vitamin D trong ăn uống
và do ít ra nắng. Bào thai và trẻ sơ sinh đang bú nếu thiếu vitamin D cần phải bổ sung
(qua bà mẹ hoặc qua sữa 400iu/ngày), tốt nhất nên dùng dạng có cả vitamin A lẫn D.
Nếu trẻ bị ỉa chảy, ứ mật vàng da thì phải dùng đường tiêm.
+ Vitamin D3 (cholecalciferol, ergocalciferol) dùng chống còi xương với liều 5005000iu/ngày, thường phối hợp thêm canxi. Để điều trị suy dinh dưỡng, còi xương
nặng hoặc thiểu năng phó giao cảm phải dùng tới liều 50.000-150.000 iu/ ngày.
- Điều trị còi xương do hấp thụ và do loãng xương: Bệnh còi xương do hấp thu có
ba dạng:
+ Thiếu photphat: Rối loạn hấp thu Ca, P không phải là do hấp thu ít vitamin
nhưng bổ sung vitamin D liều cao với P sẽ cait thiện bệnh.
+ Do gen: vì thiếu loại gen đặc hiệu mà 25-OH-D3 không chuyển hóa thành 1,25(OH)2-D3, đáng lẽ phải bổ sung 1,25-(OH)2-D3 để bù vào nhưng vì chất này chưa có
sản phẩm công nghiệp nên phải điều trị bằng vitamin D3 với liều 20.000200.000iu/ngày.
- Điều trị thiểu năng phó giáp trạng: Đặc điểm là thiếu canxi huyết và thừa
photphat. Dùng vitamin D liều cao 50.000-250.000 iu/ngày sẽ cải thiện sự hấp thu
canxi, huy động được canxi từ xương tăng cường cho máu. Vitamin D được bào chế
dưới nhiều dạng và cứ mỗi 1mg≈40.000iu.
1.2. Các vitamin tan trong nước
1.2.1. Vitamin B1 (Tiamin):
Vitamin B1 là loại vitamin rộng rãi trong thiên nhiên:
CH3
N
CH3
N
N
CH2OH
NH2
Tinh thể vitamin B1 tan tôt trong nước. Vitamin B1 bền trong môi trường trong
axit, nhưng bị phân hủy nhanh chóng khi đun nong trong môi trường kiểm.
Dưới dạng tiaminpirophotphat, vitamin B1 tham gia vào hệ thống enzim
decacboxil-oxy hóa các xetoaxit. Khi cơ thể thiếu vitamin B1 sẽ dẫn đến việc tích lũy
các xetoaxit làm hỗn loạn sự trao đổi chất kèm theo các hiện tượng bệnh lý như giảm
sút sự tiết dịch vị gây biếng ăn, tê phù ngoài ra cũng ảnh hưởng xấu đến hệ thần kinh.
Trung bình mỗi người cần 1-3 mg vitamin B1 / ngày.
Trong thực phẩm vitamin B1 thường tồn tại song song với vitamin B2 và
vitamin PP, nhất là trong phần phôi của hạt ngũ cốc.
Tuy nhiên vitamin B1 thường tập trung ở phần cỏ hạt ngũ cốc, vì vậy gạo càng
xay kỹ thì lượng vitamin B1 càng nghèo. Trong quá trình bảo quản lúa gạo vitamin B1
cũng dễ bị phân hủy theo thời gian và điều kiện bảo quản.
-20-
21. Vitamin B1 nhạy cảm với nhiệt độ, do vạy trong quá trình chế biến thực phẩm
cần phải lưu ý vấn đề này. Vitamin B1 có nhiều trong nấm men, cám gạo, gan,
thận,tim.
1.2.2 Vitamin B2 (riboflavin)
Vitamin B2 được tách từ sữa năm 1993. Trong cấu tạo của vitamin B2 có chưa
hợp chất riboza nên được gọi là riboflavin. Vitamin B2 tahm gia vạn chuyể hydro ở
nhiều enzym, khi đó vitamin B2 chuyển từ dạng (I) sang dạng (II)( không màu).
CH2OH
CH2OH
CHOH
CHOH
2
CH2
CH2
H3C
N
H3C
O
NH
N
H3C
N
H
N
N
H
O
+2H
-2H
N
H3C
2
NH
Dạng I
Dạng II
Khi thiếu vitamin B2 việc tạo nên các enzim oxy-hóa khử bị ngưng trệ làm ảnh
hưởng đến sự phát triển của cơ thể. Vitamin B2 còn cần thiết cho sinh sản tế bào biểu
bì ruột, tăng sức đề kháng của cơ thể, tăng khả năng tạo máu và ảnh hưởng đến sự
phát triển của bào thai.
Vitamin B2 có nhiều trong nấm men bánh mì, men bia, đậu, thịt, gan, thận, tim,
trứng, sữa, cá và ru xanh. Vitamin B2 được tổng hợp từ tế bào thực vạt và vi sinh vật.
1.2.3. Vitamin B6 (piridoxal, piridoxamin, piridoxin)
Vitamin B6 được tách ra ở dạng tinh thể từ nấm men và cám gạo năm 1938.
Cấu tạo của vitamin B6 được công nhận sau khi được tổng hợp năm 1939. Vitamin B6
có ở nấm, men bia, gan, thịt bò. Khi thiếu vitamin B6 sẽ xuất hiện một số bệnh ngoài
da, bệnh thần kinh, sút cân, rụng lông, tóc…
CH2OH
HO
H3C
CH2NH2
HO
CH2OH
N
H3C
CH2OH
N
Piridoxamin
Piridoxal
Piridoxin, tinh thể không màu, vị hơi đắng, và hòa tan tốt trong rượu và nước.
Các dạng vitamin B6 đều bền khi đun nóng trong dung dịch axit và kiềm nhưng không
bền khi có mất chất oxi hóa.
1.2.4. Vitamin PP (Axit nicotinic)
Axit nicotinic được Huber tổng hợp từ 1870 bằng cách oxi hóa nicontin. Nhưng
đến 1937 mới phát hiện tính chất vitamin của nó.
-21-
22. COOH
CONH2
N
N
Axit nicotinic
Amit của axit nicotinic
Khi thiếu vitamin PP sẽ vảy ra triệu trứng sưng màng nhày ruột và dạ dày, sau
đó da bị sàn sùi nhất là những nơi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời.
ở cơ thể động vật một phần vitamin PP có thể được tổng hợp từ triptophan nhờ
sự tham gia của vitamin B2 và B6. Vì vậy nếu dùng thức ăn mà protein có giá trị thấp
tức là có ít triptophan đồng thời thiếu cả B2 và B6 thì sẽ kéo theo hiện tượng thiếu
vitamin PP
1.2.5. Vitamin C (axit ascorbic)
Tồn tại trong thiên nhiên dưới dạng axit ascobic, axit dehidroascocbic và dạng
liên kết ascocbigen, chính là dạng liên kết của vitamin C với polypeptit.
Vitamin C là một dẫn xuất của dường glucozơ
O
O
CH
CH
O
HO
H
H
HO
C
HO
C
HO
O
H
H
HO
CH2OH
O
H
CH2OH
Vitamin C (axit ascocbic)
Khi cơ thể bị thiếu vitamin C sẽ xuất hiện các triệu chứng như chảy máu chân
răng, chảy máu ở các lỗ chân lông hoặc ở cơ quan nội tạng.
Vitamin C còn liên quan đến sự hình thành các hoocmon của tuyến giáp và
tuyến thượng thận. Vitamin c rất cần thiết cho cơ quan để tăng sức đề kháng và chống
lại các hiện tượng choáng, ngộ độc bởi hóa chất cũng như độc tố của vi trùng.
Vitamin C có nhiều trong rau quả như cam, chanh, dâu, cà chua, rau cải. Trong
các loài ngũ cốc, trứng hoặc thịt hầu như không có vitamin C.
-22-
23. CHƯƠNG 2: CHẤT KHÁNG SINH
Đại cương
Sự phát triển về vi sinh vật học nói chung, và vi sinh vật công nghiệp nói riêng,
với bước ngoặc lịch sử là phát minh vĩ đại về chất kháng sinh của Alexander Fleming
(1982) đã mở ra kỷ nguyên mới trong y học: khai sinh ra ngành công nghệ sản xuất
chất kháng sinh và ứng dụng thuốc kháng sinh vào điều trị cho con người.
Thuật ngữ" chất kháng sinh" lần đầu tiên được Pasteur và Joubert (1877) sử dụng để
mô tả hiện tượng kìm hãm khả năng gây bệnh của vi khuẩn Bacillus anthracis trên
động vật nhiễm bệnh nếu tiêm vào các động vật này một số loại vi khuẩn hiếu khí lành
tính khác. Babes (1885) đã nêu ra định nghĩa hoạt tính kháng khuẩn của một chủng là
đặc tính tổng hợp được các hợp chất hoá học có hoạt tính kìm hãm các chủng đối
kháng.
Nicolle (1907) là người đầu tiên phát hiện ra hoạt tính kháng khuẩn của Bacillus
subtilis có liên quan đến quá trình hình thành bào tử của loại trực khuẩn này. Gratia và
đồng nghiệp (1925) đã tách được từ nấm mốc một chế phẩm có thể sử dụng để điều trị
hiệu quả các bệnh truyền nhiễm trên da do cầu khuẩn.
Mặc dù vậy, trong thực tế mãi tới năm 1929 thuật ngữ " Chất kháng sinh" mới được
Alexander Fleming mô tả một cách đầy đủ và chính thức trong báo cáo chi tiết về
penicillin.
Thập kỷ 40 và 50 của thế kỷ XX đã ghi nhận những bước tiến vượt bậc của ngành
công nghệ sản xuất kháng sinh non trẻ, với hàng loạt sự kiện như :
Khám phá ra hàng loạt Chất kháng sinh, thí dụ như Griseofulvin (1939), gramicidin S
(1942) , Streptomycin (1943), bacitracin (1945), cloramphenicol và polymicin (1947),
clotetracyclin và Cephalosporin (1948), neomycin (1949), oxytetracyclin và nystatin
(1950), erythromycin (1952), cycloserin (1954), amphotericin B và Vancomycin (1956),
metronidazol, kanamycin và rifamycin (1957)...
Áp dụng phối hợp các kỹ thuật tuyển chọn và tạo giống tiên tiến (đặc biệt là các kỹ
thuật gây đột biến, kỹ thuật dung hợp tế bào, kỹ thuật tái tổ hợp gen ...) đã tạo ra
những biến chủng công nghiệp có năng lực "siêu tổng hợp" các chất kháng sinh cao
gấp hàng ngàn vạn lần các chủng ban đầu.
Triển khai thành công công nghệ lên men chìm quy mô sản xuất công nghiệp để sản
xuất Penicillin G (1942) và việc hoàn thiện công nghệ lên men này trên các sản phẩm
khác.
Việc phát hiện, tinh chế và sử dụng axit 6 - aminopenicillanic (6-APA, 1959) làm
nguyên liệu để sản xuất các chất kháng sinh penicilin bán tổng hợp đã cho phép tạo ra
hàng loạt dẫn xuất penicilin và một số kháng sinh - lactam bán tổng hợp khác.
2.1. Định nghĩa kháng sinh:
Chất kháng sinh được hiểu là các chất hoá học xác định, không có bản chất enzym, có
nguồn gốc sinh học (trong đó phổ biến nhất là từ vi sinh vật), với đặc tính là ngay ở
nồng độ thấp (hoặc rất thấp) đã có khả năng ức chế mạnh mẽ hoặc tiêu diệt được các
vi sinh vật gây bệnh mà vẫn đảm bảo an toàn cho người hay động vật được điều trị.
-23-
24. 2.2. Cơ chế tác dụng:
Cơ chế tác dụng lên vi sinh vật gây bệnh ( hay các đối tượng gây bệnh khác - gọi tắt là
mầm bệnh) của mỗi chất kháng sinh thường mang đặc điểm riêng, tùy thuộc vào bản
chất của kháng sinh đó; trong đó, những kiểu tác động thường gặp là làm rối loạn cấu
trúc thành tế bào, rối loạn chức năng điều tiết quá trình vận chuyển vật chất của màng
tế bào chất, làm rối loạn hay kiềm toả quá trình sinh tổng hợp protein, rối loạn quá
trình tái bản ADN, hoặc tương tác đặc hiệu với những giai đoạn nhất định trong các
chuyển hóa trao đổi chất
2.3. Đơn vị kháng sinh:
Năng lực tích tụ kháng sinh của chủng hay nồng độ chất kháng sinh thường được biểu
thị bằng một trong các đơn vị là : mg/ml, g/ml, hay đơn vị kháng sinh UI/ml (hay
UI/g, International Unit .
Đơn vị của mỗi kháng sinh được định nghĩa là lượng kháng sinh tối thiểu pha trong
một thể tích quy ước dung dịch có khả năng ức chế hoàn toàn sự phát triển của chủng
vi sinh vật kiểm định đã chọn, thí dụ, với penicillin là số miligam penicillin pha vào
trong 50 ml môi trường canh thang và sử dụng Staphylococcus aureus 209P làm
chủng kiểm định; với Streptomicin là số miligam pha trong 1 ml môi trường canh
thang và kiểm định bằng vi khuẩn Escherichia coli).
2.4. Hoạt tính kháng sinh đặc hiệu:
Hoạt tính kháng sinh đặc hiệu là đặc tính cho thấy năng lực kìm hãm hay tiêu diệt một
cách chọn lọc các chủng vi sinh gây bệnh, trong khi không gây ra các hiệu ứng phụ
quá ngưỡng cho phép trên người bệnh được điều trị. Đặc tính này được biểu thị qua
hai giá trị là:
Nồng độ kìm hãm tối thiểu (Minimun Inhibitory Concentration - Viết tắt là MIC) và
nồng độ diệt khuẩn tối thiểu (Minimun Bactericidal Concentration - Viết tắt là
MBC), xác định trên các đối tượng vi sinh vật gây bệnh kiểm định lựa chọn tương ứng
cho mỗi chất kháng sinh.
2.5. Phổ kháng khuẩn của kháng sinh:
Phổ kháng khuẩn của chất kháng sinh biểu thị số lượng các chủng gây bệnh bị tiêu
diệt bởi kháng sinh này. Theo đó, chất kháng sinh có thể tiêu diệt được nhiều loại
mầm bệnh khác nhau được gọi là chất kháng sinh phổ rộng, chất kháng sinh chỉ tiêu
diệt được ít mầm bệnh là chất kháng sinh phổ hẹp.
2.6. Hiện tượng kháng thuốc và bản chất kháng thuốc của vi sinh vật:
Hiện tượng kháng thuốc: Hiện tượng mầm bệnh vẫn còn sống sót sau khi đã điều trị
kháng sinh được gọi là hiện tượng kháng thuốc (trên phương diện kiểm nghiệm, vi
sinh vật gây bệnh được coi là kháng thuốc nếu nồng độ MIC của chất kháng sinh kiểm
nghiệm in vitro trên đối tượng này cao hơn nồng độ điều trị tối đa cho phép đối với
bệnh nhân. Có hai dạng kháng thuốc:
Khả năng đề kháng sinh học: Khả năng kháng thuốc của vi sinh vật gây bệnh có thể
được hình thành ngẫu nhiên trong quần thể, nghĩa là khả năng này đã được hình thành
ở mầm bệnh ngay khi chúng chưa tiếp xúc với môi trường chứa chất kháng sinh. Dạng
kháng thuốc này được gọi là khả năng đề kháng sinh học. Nguyên nhân của hiện
tượng này có thể do đột biến ngẫu nhiên trong nhiễm sắc thể làm trong quần thể vi
sinh vật gây bệnh xuất hiện các tế bào (hay thậm chí chỉ cần một vài tế bào) có khả
-24-
25. năng kháng thuốc. Do đó, khi bệnh nhân được điều trị kháng sinh trong một thời gian
nhất định thì chỉ có các tế bào thường bị tiêu diệt, còn các tế bào kháng thuốc này vẫn
còn sống sót, tiếp tục sinh trưởng phát triển dần bù đắep cho cả số tế bào đã bị tiêu
diệt. Kết quả làm thay đổi hoàn toàn bản chất vi sinh của bệnh và vô hiệu hóa tác dụng
điều trị của thuốc kháng sinh đó.
Khả năng đề kháng điều trị: Khả năng kháng thuốc của vi sinh vật gây bệnh thường
xuất hiện phổ biến hơn nhiều sau khi chúng đã tiếp xúc với kháng sinh, vì vậy trường
hợp này còn được gọi là khả năng đề kháng điều trị. Nguyên nhân của hiện tượng này
là do trong tế bào vi sinh vật có chứa các yếu tố kháng thuốc R tiềm ẩn (Resistance
Factor). Yếu tố kháng thuốc R có bản chất plasmid. Khi vi sinh vật sống trong môi
trường có kháng sinh, các plasmid kháng thuốc của chúng sẽ được hoạt hoá, tự sao
chép tổng hợp ra vô số plasmid mới. Chính hoạt tính của các plasmid này sẽ làm tăng
sức đề kháng cho tế bào chủ, nhờ vậy chúng vẫn có thể tồn tại và phát triển trong môi
trường có kháng sinh. Do có bản chất plasmid nên các yếu tố kháng thuốc R này rất dễ
dàng vận chuyển qua lại giữa các loài gần gũi nhau qua biến nạp, tải nạp hay tiếp hợp.
Nguyên nhân hiện tượng kháng thuốc:
- Việc sử dụng cùng loại kháng sinh kéo dài hoặc lạm dụng thuốc kháng sinh (tuỳ tiện
sử dụng thuốc không đúng liều lượng, không đúng chỉ định và không đủ thời gian cần
thiết) đã vô tình tạo ra ưu thế phát triển cạnh tranh cho các chủng vi sinh vật có khả
năng kháng thuốc, đồng thời trở thành liệu pháp kích thích các chủng kháng thuốc này
tổng hợp ra vô số plasmid mới.
- Xu thế sử dụng tuỳ tiện chất kháng sinh trong chăn nuôi, đặc biệt là bổ sung vào khi
chế biến thức ăn gia súc, gia cầm nuôi lấy thịt, trứng, sữa ... Khi đó, ngoài các tác
dụng có lợi dự kiến, chính chất kháng sinh bổ sung sẽ tạo ra môi trường phát triển
chọn lọc cho các chủng mang yếu tố kháng thuốc R trên động vật nuôi. Khi sử dụng
thịt, trứng, sữa ... của chúng làm nguyên liệu chế biến, các chủng kháng thuốc này sẽ
kéo theo vào trong các sản phẩm thực phẩm. Kết quả khi người tiêu dùng sử dụng các
thực phẩm này, một mặt họ phải tiếp nhận phần dư lượng kháng sinh trong sản phẩm;
nhưng mặt khác, nguy hiểm hơn là các loại vi sinh vật kháng thuốc trong các sản
phẩm thực phẩm thuộc nhóm này có ưu thế tồn tại, phát triển cao hơn và các plasmid
kháng thuốc của chúng lại đang ở trong trạng thái hoạt hoá.
Cơ chế của sự kháng thuốc: Cơ chế của sự kháng thuốc rất đa dạng và thường khác
nhau đối với từng chủng vi sinh vật:
* Một số loài vi sinh vật có khả năng kháng thuốc tự nhiên với một số kháng sinh nhất
định, do thuốc này không tác động lên chúng ( thí dụ như: nấm, virus, nguyên sinh
động vật, do trên thành tế bào không có lớp peptidoglucan nên không chịu tác động
của các kháng sinh β – lactam).
* Một số chủng vốn nhạy cảm với chất kháng sinh trở nên kháng thuốc khi chúng thu
nhận được một trong các đặc tính mới như:
Có khả năng vô hoạt hay phá hủy chất kháng sinh (bằng cách tổng hợp ra các enzym
ngoại bào làm phá vỡ cấu trúc của chất kháng sinh hay liên kết với chất kháng sinh để
tạo ra dạng kém hiệu lực kháng sinh hơn).
Có thể tự điều chỉnh khả năng hấp thụ của màng tế bào chất làm giảm hoặc ngăn ngừa
chất kháng sinh xâm nhập vào tế bào chất.
-25-
26. Có khả năng làm biến đổi cấu trúc phân tử của nơi hoặc vị trí mà chất kháng sinh tác
dụng vào
Tự điều chỉnh thay đổi đường hướng trao đổi chất để vô hiệu hóa tác dụng của chất
kháng sinh đó…
Hiện tượng kháng chéo: Bên cạnh hai hiện tượng kháng thuốc nêu trên, trong thực
tiễn còn tồn tại hiện tượng kháng chéo (hay kháng nhóm), nghĩa là một chủng khi đã
kháng lại chất kháng sinh nhất định thì chúng cũng có khả năng kháng luôn một số
chất kháng sinh khác cùng nhóm cấu trúc hay có các đặc tính tương đồng với chất
kháng sinh ấy, thí dụ như một số chủng vi sinh vật gây bệnh đã kháng được penicillin
thì cũng có trường hợp kháng luôn nhiều kháng sinh - lactam khác.
Khắc phục hiện tượng kháng thuốc của vi sinh vật gây bệnh: giải pháp trực quan và
đơn giản là sử dụng các dạng kháng sinh mới. Tuy nhiên, việc tìm kiếm, phát hiện và
sản xuất một kháng sinh mới là cả một khối lượng công việc khổng lồ, tiêu tốn rất
nhiều thời gian, nhân lực và tiền bạc
Trước hết cần triệt để tôn trọng ba nguyên tắc sử dụng thuốc kháng sinh là:
Chỉ định điều trị kháng sinh đúng (làm kháng sinh đồ để chọn đúng kháng sinh thích
hợp để chỉ định điều trị; dùng thuốc đúng liều, đúng phác đồ, đủ thời gian điều trị; chú
ý phát hiện sớm dấu hiệu kháng thuốc);
Không lạm dụng kháng sinh khi chưa cần thiết (không lạm dụng "điều trị phòng
ngừa" bằng thuốc kháng sinh, nghiêm cấm bệnh nhân tự chỉ định điều trị thuốc kháng
sinh thay bác sĩ);
Nghiêm cấm sử dụng tràn lan chất kháng sinh trong chăn nuôi và giám sát chặt chẽ
việc sử dụng kháng sinh trong thú y.
2.7. Điều chỉnh sinh tổng hợp kháng sinh:
Cũng như với tất cả quá trình lên men khác, việc điều chỉnh sinh tổng hợp chất kháng
sinh trên nguyên tắc có thể được thực hiện qua hàng loạt cơ chế khác nhau, thí dụ, cơ
chế cảm ứng, cơ chế kiềm toả, cơ chế ức chế ngược ...Trong thực tiễn cần phải phối
hợp hàng loạt các giải pháp khoa học và công nghệ, cụ thể có thể phân chia thành hai
nhóm lớn là:
Tuyển chọn và tạo ra các chủng công nghiệp siêu tổng hợp chất kháng sinh ;
Tối ưu hoá thành phần môi trường, thiết bị lên men và điều kiện vận hành quá trình
lên men.
2.7.1. Tuyển chọn và tạo ra các chủng công nghiệp siêu tổng hợp chất kháng sinh :
Đây là thành quả của sự phối hợp đồng bộ hàng loạt giải pháp kỹ thuật tuyển
chọn giống và tạo chủng tiên tiến như: kỹ thuật gây đột biến, kỹ thuật dung hợp tế
bào, kỹ thuật tái tổ hợp và các giải pháp kỹ thuật gen khác
Nhìn chung, quá trình tuyển chọn tạo chủng công nghiệp siêu tổng hợp kháng
sinh cũng thường trải qua sáu giai đoạn cơ bản là:
- Phân lập từ thiên nhiên.
- Nghiên cứu xử lý tạo các biến chủng " Siêu tổng hợp" có hoạt lực cao.
- Tuyển chọn sơ bộ.
- Tuyển chọn lại thu các chủng có hoạt tính cao quy mô phòng thí nghiệm.
-26-
27. - Thử nghiệm và tuyển chọn lại trên quy mô sản xuất thử nghiệm pilot.
- Thử nghiệm và chọn lọc lại các chủng phù hợp với điều kiện lên men sản xuất
lớn công nghiệp.
Trong các giai đoạn trên, bước tuyển chọn lại quy mô phòng thí nghiệm là công
đoạn tuyển chọn toàn diện và kỹ lưỡng nhất;
Mục tiêu của quá trình tuyển chọn tạo biến củng công nghiệp không chỉ dừng lại ở
năng lực siêu tổng hợp kháng sinh của chủng, mà còn định hướng đồng thời vào các
mục tiêu khác như: tạo ra các biến chủng tích tụ ít các sản phẩm không mong muốn,
các biến chủng tổng hợp ra các sản phẩm hoàn toàn mới (nhất là các sản phẩm có cấu
trúc và đặc tính mong muốn theo "thiết kế" của con người), các biến chủng rất nhạy
cảm với chất kháng sinh hay các chủng có sức đề kháng cao với những chất kháng
sinh nào đó .... Việc tuyển chọn và tạo chủng công nghiệp là công việc lâu dài và tiêu
tốn rất nhiều nhân lực, đòi hỏi phải được tiến hành nghiêm túc, liên tục và thường
xuyên.
2.7.2. Tối ưu hoá thành phần môi trường, thiết bị lên men và điều kiện vận hành quá
trình lên men:
- Việc tối ưu hóa thành phần môi trường lên men có vai trò rất quan trọng,
quyết định năng lực và hiệu quả chung của toàn quá trình: xác định nguồn nguyên liệu
chính, thành phần môi trường lên men, nồng độ tương ứng của từng cấu tử trong từng
thời điểm cụ thể, đều được xác định qua con đường thực nghiệm, trên cơ sở kiểm tra
trên hàng loạt cơ chất dự kiến chính, các tiền chất, các chất dinh dưỡng khác, các chất
phụ gia kỹ thuật…
. Nguồn thức ăn cacbon thường được lựa chọn là: các loại bột và hạt ngũ cốc,
cám mỳ, cám gạo, vỏ khoai tây, rỉ đường, các loại đường ( glucoza, fructoza, maltoza,
lactoza …) dextrin, glycerin, axit axetic, manit, các loại rượu, dịch thủy phân gỗ, nước
thải hồ sunfit…
. Nguồn thức ăn nitơ có thể là: bột đậu tương, nước chiết ngô, cao nấm men,
nước chiết nấm nem, pepton, các muối NO3-, NH4+…
Các nguyên tố khoáng đa lượng thường gặp như: photpho, lưu huỳnh, ma nhê,
sắt, canxi, kali, natri; các nguyên tố vi lượng như: đồng, kẽm, coban, molipden… và
các chất sinh trưởng..
.Việc thay đổi thành phân môi trường, nồng độ các cấu tử và sự biến thiên
nồng độ của chúng trong suốt quá trình có quan hệ chặt chẽ với hoạt động trao đổi
chất của vi sinh vật, vì vậy quan hệ chặt chẽ đến các sản phẩm tạo thành của quá trình.
- Ngoài ra, trong quá trình lên men, người ta còn khai thác hiệu quả tác động
của các yếu tố khác trong môi trường như: nhiệt độ lên men tối ưu, pH, nồng độ oxy,
thế oxy hóa khử, cường độ sục khí, cường độ khuấy trộn dịch lên men ..
Như vậy hiệu quả sinh tổng hợp sản phẩm thu được bao giờ cũng là kết quả của
sự phối hợp tác dụng của tất cả các yếu tố, các điều kiện trang thiết bị công nghệ cấu
thành nên công nghệ lên men các sản phẩm đó.
2.8. Phân nhóm kháng sinh: Có nhiều cách để phân nhóm kháng sinh, đó là phân loại
trên cơ sở phương pháp điều chế và trên cơ sở tính chất hoặc những đặc trưng của
chúng.
2.8.1. Phân loại theo phương pháp điều chế gồm có các nhóm
-27-
28. - Các kháng sinh tự nhiên được điều chế ra bằng con đường sinh tổng hợp.
- Các kháng sinh bán tổng hợp bằng cách cải biến các kháng sinh nhận được từ con
đường sinh tổng hợp (Các kháng sinh tự nhiên dễ bị phân hủy, dễ hỏng, tác dụng
yếu...)
- Các kháng sinh được điều chế ra bằng con đường tổng hợp hóa học.
2.8.2. Phân loại theo tính chất hoặc đặc trưng của chúng
- Phân loại theo tác dụng hoặc sử dụng của chúng (Kháng sinh tác dụng diệt khuẩn,
kháng nấm, chống ung thư hoặc chống virut, phổ tác dụng rộng hoặc hẹp, hoặc kháng
sinh được sử dụng làm thuốc cho người, sử dụng trong nông nghiệp hoặc sử dụng vào
các lĩnh vực khác).
- Phân loại theo cơ chế tác dụng của chúng (Chất có tác dụng trên màng, tác dụng
ngăn cản sinh tổng hợp protit hoặc axit nuclic hay chất ngăn cản tổng hợp thành tế
bào).
- Phân loại theo nguồn gốc (Kháng sinh được sản xuất ra từ nấm mốc chiếu xạ, từ vi
khuẩn, từ vi nấm tự tạo, từ thực vật hoặc từ động vật).
- Phân loại theo tính chất vật lí hay hóa học của chúng (Các chất có tính axit, tính
bazo, lưỡng tính, có thể hòa tan trong nước hoặc trong chất béo).
- Phân loại theo con đường sinh tổng hợp của chúng (Sinh tổng hợp peptit, nucleotit,
con đường axetat-propionat, axit cikciminic).
- Phân loại theo cấu trúc hóa học của chúng (Phân theo các bộ khung cơ bản)
+ Các kháng sinh nhóm β-lactam (Các penicillin và cepharosporin).
+ Các kháng sinh chloramphenicol.
+ Các tetracyline (oxytetracyline, chlortetracyline).
+ Các aminoglycozit (steptomycine, neomicine, gentamicine).
+ Các macrolid (erythoomycine, oleandomycine).
+ Các polien (polien-macrolit, nystatine, amphotericine B).
+ Các anzamycin (rifamicine, rifampicine).
+ Các lincosamydin (lincomycine).
+ Các kháng sinh peptid (gramicidin, polimycin, viomycine).
+ Các kháng sinh nucleosid (puromycine).
+ Các polieste (monensin, nigericin, lasalocide).
+ Các kháng sinh khác (axit fusidic, fosfomycin).
2.9. Ý nghĩa kinh tế của kháng sinh: Kháng sinh là loại thuốc vô cùng quý giá của loài
người, giúp con người thoát khỏi các bệnh nhiễm khuẩn.
- Ý nghĩa chữa bệnh cho người: Các dịch bệnh nhiễm khuẩn giảm đi tương đối nhiều.
- Ý nghĩa chữa bệnh cho thú y: Thuốc chữa bệnh cho gia súc, thú y.
- Ý nghĩa sử dụng trong nông nghiệp: Các bệnh về nấm.
2.10. Các thuốc kháng sinh nhóm β-lactam: Là nhóm kháng sinh lớn nhất kể cả tác
dụng trị bệnh lẫn tấn lượng sản xuất và doanh số.
Đôi nét về lịch sử và các sự kiện về nhóm
a. Về kháng sinh nhóm penicillin
- Năm 1928 Fleming phát hiện thấy tụ cầu vàng bị nhiễm nấm mốc Penicillin notatum
=> Penicillin.
- Năm 1938-1940 nhóm các nhà bác học Oxford khởi động lại vấn đề nghiên cứu
Penicillin.
-28-
29. - Trong chiến tranh thế giới thứ 2 nhóm nghiên cứu Mỹ-Anh thành lập, năm 1943 bắt
đầu sản xuất Penicillin, phát hiện ra chủng mới Penicillin Chrysogenum có năng suất
cao; xác định cấu trúc của Penicillin.
- Năm 1945 nhóm nghiên cứu Anh-Mỹ được giải thưởng Noben.
- Sheehan và Henery-Logan (1957-1959) tổng hợp toàn phần Penicillin.
- Bachelor (1959) phân lập được 6-APA.
H
H
S
ROCHN
H
CH3
S
H2N
CH3
N
O
H
CH3
CH3
N
COOH
O
20-1
(R = CH3CH2CH=CHCH2, CH3(CH2)6,
C6H5CH2, p-OH-C6H4-CH2)
COOH
20-2
(6-APA)
- Cơ sở công nghệ sinh tổng hợp penicillin nhờ nấm mốc:
+ Lịch sử tuyển chọn chủng công nghiệp P. chrysogenum :
Vào những năm đầu, việc nghiên cứu sản xuất penicillin thường sử dụng các chủng có
hoạt lực cao thuộc loài P. notatum và P. baculatum. Nhưng từ khi trường đại học
Wisconsin (Mỹ) phân lập được chủng P.chrysogenum có hoạt tính cao hơn thì chủng
này dần dần đã thay thế và từ khoảng sau những năm 50 của thế kỷ XX đến nay tất cả
các công ty sản xuất penicillin trên thế giới đều sử dụng các biến chủng
P.chrysogenum công nghiệp.
- Việc tuyển chọn chủng công nghiệp để lên men sản xuất penicillin trên nguyên tắc
cũng trải qua sáu giai đoạn cơ bản đã mô tả trong mục 1.3.1, trong đó giải pháp kỹ
thuật đã được áp dụng hiệu quả để thu nhận biến chủng "siêu tổng hợp" penicillin lại
chính là các kỹ thuật gây đột biến thường như: xử lý tia Rơn - ghen, xử lý tia cực tím
và tạo đột biến bằng hoá chất, thí dụ như Metylbis - amin (metyl -2--clo- etylamin),
N-mustar (tris - -clo- etylamin), Sarcrolyzin, HNO2, Dimetylsulfat, 1,2,3,4 diepoxybutan.
+ Cơ chế sinh tổng hợp penicillin ở nấm mốc P. chrysogenum :
Theo quan điểm phổ biến hiện nay, quá trình sinh tổng hợp penicillin ở nấm mốc P.
chrysogenum có thể tóm tắt như sau: từ ba tiền chất ban đầu là -aminoadipic, cystein
và valin sẽ ngưng tụ lại thành tripeptit -(- aminoadipyl) - cysteinyl - valin ; tiếp
theo là quá trình khép mạch tạo vòng -lactam và vòng thiazolidin để tạo thành
izopenicillin-N; rồi trao đổi nhóm -aminoadipyl với phenylacetic (hay
phenooxyacetic) tạo thành sản phẩm penicillin G (hay penicillin V, xem sơ đồ tổng
hợp penicillin G trong hình 1.
-29-
30. Hình 1. Sơ đồ cơ chế sinh tổng hợp penicillin từ axit L-- aminoadipic, Lcystein và L-valin
Trong 3 axit amin tiền chất trên thì cystein có thể được tổng hợp bằng một trong
ba con đường là được tổng hợp từ xerin (hình 2), từ homoxerin với việc tuần hoàn
chuyển hóa -cetobutyrat qua oxaloacetat (hình 3), hay từ homoxerin với sự chuyển
hóa - cetobutyrat qua izolecin. Đồng thời - aminoadipic được giải phóng ra trong
sơ đồ hình 4 có thể được tuần hoàn để tham gia quá trình ngưng tụ ban đầu. .
-30-
31. Hình 2. Sơ đồ cơ chế sinh tổng hợp cystein từ xerin
Hình 3. Sơ đồ cơ chế sinh tổng hợp cistein từ homoxerin với sự biến đổi cetobutyrat thành oxaloacetat
Tuy nhiên, cũng có thể nó được giải phóng ra và tích tụ trong môi trường (vì trong quá
trình lên men sản xuất penicillin V bao giờ cũng phát hiện thấy trong dịch lên men
lượng lớn - aminoadipic dạng vòng). Như vậy, quá trình sinh tổng hợp penicillin,
phụ thuộc vào điều kiện lên men cụ thể nhất định, có thể xảy ra theo sáu đường hướng
-31-
32. khác nhau. Do đó, hiệu suất chuyển hoá cơ chất - sản phẩm cũng biến đổi và phụ
thuộc vào đường hướng sinh tổng hợp tương ứng. Theo lý thuyết thì hiệu suất lên men
sẽ trong khoảng 683 - 1544 UI penicillin/g glucoza; song, trong thực tế, với những
chủng có hoạt tính sinh tổng hợp cao nhất cũng mới chỉ đạt khoảng 200 UI/g glucoza.
Hình 4. Sơ đồ cơ chế sinh tổng hợp - aminoadipic
Hình 5. Sơ đồ cơ chế sinh tổng hợp valin
+ Tác động của các thông số công nghệ đến quá trình sinh tổng hợp penicillin.
. Sự phát triển hệ sợi và đặc điểm hình thái hệ sợi nấm:
-32-
33. Sự phát triển hệ sợi nấm trong quá trình lên men bao gồm:
- Sự tăng trưởng về kích thước hệ sợi (tăng độ dài sợi, sự lớn lên về kích thước, mức
độ phân nhánh của hệ sợi ... )
- Sự biến thiên về số lượng khóm sợi nấm trong môi trường: Thông thường, sự phát
triển này được đánh giá qua hai chỉ tiêu là: hàm lượng sinh khối và tốc độ biến thiên
hàm lượng sinh khối trong môi trường. Hai chỉ tiêu này có thể xác định bằng nhiều
phương pháp khác nhau như: hàm lượng sinh khối (Sinh khối tươi hoặc sinh khối
khô), mật độ quang dịch lên men, trở lực lọc của dịch lên men, hàm lượng nitơ, hàm
lượng hydratcacbon, hàm lượng axit nucleic ... Trong các phương pháp trên, được áp
dụng phổ biến hơn cả trong sản xuất công nghiệp là phương pháp xác định qua hàm
lượng sinh khối.
Tốc độ phát triển hệ sợi nấm phụ thuộc hàng loạt các yếu tố khác nhau trong quá
trình lên men và sự tích tụ penicillin thường xảy ra mạnh mẽ khi hệ sợi phát triển đạt
trạng thái cân bằng. Trạng thái này có thể xác lập được khi chỉ cung cấp vừa đủ và
liên tục lượng thức ăn tối thiểu cho nấm mốc. Thiếu thức ăn, hệ sợi nấm sẽ tự phân,
còn nếu cung cấp quá nhu cầu trên, hệ sợi sẽ phát triển, nhưng không tích tụ mạnh
penicillin mà tích tụ nhiều axit gluconic và axit malic.
Đặc điểm hình thái và cấu trúc hệ sợi nấm: Trong quá trình lên men, do nhiều
nguyên nhân khác nhau, số lượng khóm sợi nấm bao giờ cũng có xu hướng tăng lên,
ngay cả trong quá trình lên men tĩnh. Trong điều kiện lên men có sục khí và khuấy
trộn, do tác dụng va đập cơ học với cánh khuấy và các chuyển động dòng xoáy trong
môi trường, một mặt sự đứt gãy hệ sợi nấm xảy ra nhiều hơn và hệ sợi nấm bao giờ
cũng có xu hướng vón cuộn lại thành cấu trúc búi sợi cuộn xoắn, được gọi là pellet.
Pellet xốp (fluffy loose pellets) là dạng pellet có phần bên trong hệ sợi cuộn thành
khối chắc và mịn, lớp sợi phía bên ngoài cuộn lỏng lẻo tạo thành cấu trúc xốp hơn.
Pellet chắc và mịn (compact smooth pellets) có đặc điểm là phần sợi phía bên trong
pellet cuộn tương đối chặt chẽ ra đến gần sát lớp sợi phía ngoài, lớp sợi phía ngoài
cùng cũng cuộn đủ chắc thành lớp sợi mịn.
Pellet rỗng (hollow pellets) là dạng pellet có phần sợi bên trong bị tự phân tạo thành
khoảng rỗng, hệ sợi phía bên ngoài cuộn rất chặt thành lớp sợi mịn và chắc chắn.
- Hiệu quả chung của quá trình lên men có quan hệ hữu cơ với số lượng, kích thước và
cấu trúc pellet nấm. Trong thực tiễn sản xuất công nghiệp, người ta thường điều chỉnh
các thông số công nghệ theo hướng ưu tiên tạo ra dạng pellet đủ nhỏ và mịn, hạn chế
tạo pellet xốp và ngăn ngừa hình thành các pellet rỗng. Điều kiện công nghệ tương
ứng với mục tiêu trên thường áp dụng là : tỉ lệ cây giống 10%, với mật độ dịch giống
(2-10).1011 bào tử /m3; phối hợp điều chỉnh giữa sục khí và khuấy trộn để đảm bảo
cung cấp oxy hòa tan dư so với nhu cầu tương ứng với thời điểm lên men, và để tạo ra
pellet mịn và nhỏ (kích thước pellet thích hợp nhất khoảng 0,2 - 0,5mm), trong điều
kiện đã cân đối với nhu cầu tiết kiệm mức tiêu tốn năng lượng do khuấy trộn.
. Đặc tính nhiệt động của dịch lên men:
Trong các thiết bị lên men dung tích lớn có sục khí và khuất trộn, thực tế không thể
xác lập được sự đồng đều tại khắp các vùng thể tích làm việc của thiết bị. Tại các
vùng chảy rối (vùng gần cánh khuấy), tốc độ trao đổi nhiệt, tốc độ chuyển khối xảy ra
mạnh mẽ hơn. Còn tại các vùng chảy màng (vùng sát thành thiết bị, vùng gần các ống
-33-
34. xoắn trao đổi nhiệt, vùng kém hiệu quả hay vùng chết của thiết bị…) tốc độ chuyển
khối hay tốc độ truyền nhiệt cũng giảm đi. Ngoài ra, tại những khu vực nhất định của
thiết bị có thể xuất hiện vùng xoáy cục bộ hay các dòng chảy thứ cấp làm thiếu hụt về
hàm lượng oxy hòa tan.
Các yếu tố nêu trên đây sẽ tác động trực tiếp đến năng lực sinh tổng hợp của chủng,
hiệu quả chuyển hóa tạo sản phẩm và hiệu quả kinh tế chung của toàn quá trình lên
men. Thực tế thường chọn chế độ khuấy trộn dư trên mức yêu cầu.
. Thành phần môi trường lên men:
Môi trường cơ sở để lên men penicillin, vào thời kỳ đầu trong những năm 40 - 50, là
môi trường lactoza - nước chiết ngô, với thành phần chính nêu trong bảng 2.1.
Nguồn cơ chất chính: là lactoza có thể được thay thế từng phần hoặc toàn bộ bằng các
cơ chất khác như: các loại đường hexoza, đường pentoza, disaccarit, dextrin hay thay
thế bằng dầu thực vật. Trong các cơ chất nêu trên, hiệu quả cao hơn cả vẫn là glucoza.
Ngoài ra, khi sử dụng dầu thực vật làm chất phá bọt phải xét đến hiệu ứng nấm
mốc sử dụng một phần dầu thực vật làm nguồn cung cấp thức ăn cacbon, để tính toán
điều chỉnh nồng độ glucoza trong môi trường lên men (và cả sự cản trở quá trình
chuyển khối do ảnh hưởng của dầu phá bọt).
Nguồn cung cấp thức ăn nitơ: có thể sử dụng là bột đậu tương, bột hạt bông,
các loại dầu cám. Nhu cầu về thức ăn nitơ cũng có thể được đáp ứng bằng cách cung
cấp liên tục (NH4)2SO4, nhưng duy trì ở nồng độ thấp, khoảng 250 - 340g/l (nếu dư
thừa hiệu quả sinh tổng hợp penicillin sẽ giảm, nếu thiếu sẽ xảy ra hiện tượng tự phân
hệ sợi) .
Hàm lượng các chất khoáng bổ sung: được tính toán, phụ thuộc vào lượng dịch
chiết ngô sử dụng;
pH môi trường được điều chỉnh trước khi thanh trùng, sau đó trong suốt quá
trình lên men được giám sát chặt chẽ và điều chỉnh theo yêu cầu công nghệ.
Nồng độ tiền chất tạo nhánh:Trong quá trình sinh tổng hợp penicillin, việc kết
gắn mạch nhánh của phân tử penicillin không mang tính đặc hiệu chặt chẽ. Nhờ vậy,
nếu duy trì nồng độ tiền chất tạo nhánh cần thiết phenylacetat (hoặc phenooxyacetat)
sẽ cho phép thu nhận chủ yếu một loại penicillin G trong dịch lên men (hoặc penicillin
V). Theo lý thuyết, nhu cầu về phenylaceta là 0,47g/gam penicillin G (hoặc
phenooxyacetat là 0,50g/gam penicillin V ). Cần chú ý cả hai cấu tử trên thực chất đều
gây độc cho nấm nên người ta thường lựa chọn giải pháp bổ sung liên tục cấu tử này
và khống chế chặt chẽ nồng độ theo yêu cầu, để không làm suy giảm năng lực lên men
của chủng sản xuất.
. Điều kiện tiến hành lên men:
Nhiệt độ là thông số có ảnh hưởng lớn đến sự phát triển của nấm mốc, khả năng sinh
tổng hợp và năng lực tích tụ penicillin của chúng. Nhìn chung nấm mốc phát triển
thuận lợi hơn ở dải nhiệt độ khoảng 300C. Tuy nhiên, ở ở dải nhiệt độ này tốc độ phân
huỷ penicillin cũng xảy ra mạnh mẽ. Trong thực tế, ở giai đoạn nhân giống sản xuất
người ta thường nhân ở dải nhiệt độ 300C; sang giai đoạn lên men thường áp dụng một
trong hai chế độ nhiệt là :
Lên men ở một dải nhiệt độ: Thường duy trì nhiệt độ trong suốt quá trình lên men ở
dải nhiệt độ 25 - 270C.
-34-
35. Lên men ở hai chế độ nhiệt độ: Giai đoạn lên men bắt đầu tiến hành ở 300C cho đến
khi hệ sợi phát triển đạt yêu cầu về hàm lượng sinh khối thì điều chỉnh nhiệt độ sang
chế độ lên men penicillin ở dải nhiệt độ 22 - 250C (có công nghệ điều chỉnh xuống 22
- 230C, giữ ở nhiệt độ này tiếp hai ngày rồi chuyển sang lên men tiếp ở 250C cho đến
khi kết thúc quá trình lên men).
pH môi trường thuận lợi cho sự phát triển hệ sợi và cho quá trình sinh tổng hợp
penicillin thường dao động trong khoảng pH = 6,8 - 7,4. Tuy nhiên ở điều kiện pH cao
xu hướng phân huỷ penicillin cũng tăng lên. Vì vậy, trong sản xuất pH môi trường
thường được khống chế chặt chẽ ở giá trị lựa chọn trong khoảng pH = 6,2 - 6,8.
Nồng độ oxy hoà tan và cường độ khuấy trộn dịch lên men: Với nhiều chủng nấm
mốc, nồng độ oxy hòa tan thuận lợi cho quá trình sinh tổng hợp penicillin dao động
quanh mức 30% nồng độ oxy bão hòa.
Nồng độ CO2 trong dịch lên men ở mức nhất định cũng cần thiết cho quá trình nảy
mầm của bào tử nấm mốc; tuy nhiên nếu nồng độ CO2 quá cao sẽ làm cản trở quá
trình hấp thu và chuyển hoá cơ chất của chủng, nghĩa làm làm cản trở quá trình sinh
tổng hợp penicillin.
. Sự tích tụ và phân huỷ penicillin:
Trong quá trình lên men, do nhiều nguyên nhân khác nhau, trong đó có ảnh hưởng của
nồng độ penicillin tích tụ trong môi trường ngày càng tăng, làm cho năng lực sinh
tổng hợp penicillin của chủng có xu hướng giảm dần theo thời gian lên men. Đồng
thời, phụ thuộc vào nhiệt và pH môi trường, một phần lượng penicillin đã tích tụ cũng
bị phân huỷ theo thời gian.
Nhằm giảm tổn thất trên, ngay sau khi kết thúc quá trình lên men cần xử lý thu sản
phẩm sớm hoặc có giải pháp hạ thấp nhanh nhiệt độ dịch lên men.
+ Quy trình lên men trong công nghiệp:
. Đặc điểm chung:
Công nghệ lên men sản xuất penicillin mang nét đặc thù riêng của từng cơ sở sản xuất
và các thông tin này rất hạn chế cung cấp công khai, ngay mỗi bằng sáng chế thường
cũng chỉ giới hạn ở những công đoạn nhất định; vì vậy rất khó đưa ra được công nghệ
tổng quát chung. Theo công nghệ lên men của hãng Gist-Brocades (Hà Lan), toàn bộ
dây chuyển sản xuất thuốc kháng sinh penicillin có thể phân chia làm bốn công đoạn
chính như sau (xem sơ đồ hình 6)
Lên men sản xuất penicillin tự nhiên (thường thu penicillin V hoặc penicillin G) .
Xử lý dịch lên men tinh chế thu bán thành phẩm penicillin tự nhiên.
Sản xuất các penicillin bán tổng hợp (từ nguyên liệu penicillin tự nhiên)
Pha chế các loại thuốc kháng sinh penicillin thương mại.
-35-
36. Hình 6. Sơ đồ dây chuyền sản xuất penicillin
(theo Gist-Brocades Copr. (Hà Lan))
. Chuẩn bị lên men :
Giống, bảo quản và nhân giống cho sản xuất: Giống công nghiệp P.chrysogenum được
bảo quản lâu dài ở dạng đông khô, bảo quản siêu lạnh ở 700C hoặc bảo quản trong
nitơ lỏng. Giống từ môi trường bảo quản được cấy chuyền ra trên môi trường thạch
hộp để hoạt hoá và nuôi thu bào tử. Dịch huyền phù bào tử thu từ hộp petri được cấy
chuyển tiếp sang môi trường bình tam giác, rồi sang thiết bị phân giống nhỏ, qua thiết
bị nhân giống trung gian ... và cuối cùng là trên thiết bị nhân giống sản xuất. Yêu cầu
quan trọng của của công đoạn nhân giống là phải đảm bảo cung cấp đủ lượng giống
cần thiết, với hoạt lực cao, chất lượng đảm bảo đúng thời điểm hco các công đoạn
nhân giống kế tiếp và cuối cùng là cung cấp đủ lượng giống đạt các yêu cầu kỹ thuật
cho lên men sản xuất. Trong thực tiễn, để đảm bảo cho quá trình lên men thuận lợi
người ta thường tính toán lượng giống cấp sao cho mật độ giống trong dịch lên men
ban đầu khoảng 1 - 5.109 bào tử / m3.
Thành phần môi trường nhân giống cần được tính toán để đảm bảo cung cấp đủ nguồn
thức ăn C, N, các chất khoáng và các thành phần khác, đảm bảo cho sự hình thành và
phát triển thuận lợi của pellet.
Chuẩn bị môi trường lên men và thiết bị:
- Chuẩn bị môi trường lên men:
. Cân đong, pha chế riêng rẽ các thành phần môi trường lên men trong các thùng
chứa phù hợp
. Thanh trùng gián đoạn ở 1210C ( hay thanh trùng liên tục ở khoảng 140-1460C)
hoặc lọc qua các vật liệu siêu lọc rồi mới bơm vào thùng lên men.
Nếu đặc tính công nghệ của thiết bị lên men cho phép, có thể pha chế rồi thanh
trùng đồng thời dịch lên men trong cùng một thiết bị. Tất cả các cấu tử bổ sung vào
môi trường lên men đều phải được xử lý khử khuẩn trước và sau đó bổ sung theo chế
độ vận hành vô khuẩn.
-36-
37. - Thiết bị lên men: Phải được vô khuẩn trước khi đưa vào sử dụng. Thường
thanh trùng bằng hơi quá nhiệt 2,5 – 3,0 at trong thời gian 3 giờ. Đông thời khử khuẩn
nghiêm ngặt tất cả các hệ thống ống dẫn, khớp nối, van, phin lọc và tất cả các thiết bị
phụ trợ khác….Trong quá trình lên men luuôn cố gắng duy trì áp suất dư trong thiết bị
nhằm hạn chế rũi ro do nhiễm tạp.
- Không khí thường được khử khuẩn sơ bộ bằng nén đoạn nhiệt, sau đó qua
màng lọc vô khuẩn hay màng siêu lọc .
+ Kỹ thuật lên men:
. Kỹ thuật lên men bề mặt:
Áp dụng từ lâu, hiện nay hầu như không còn được triển khai trong sản xuất
lớn nữa. Gồm 2 phương pháp:
* Lên men trên nguyên liệu rắn (cám mì, cám ngô có bổ sung đường lactoza)
* Lên men trên bề mặt môi trường lỏng tĩnh (phổ biến sử dụng môi trường
cơ bản lactoza- nước chiết ngô)..
Do đường lactoza được nấm mốc đồng hóa chậm nên không xảy ra hiện tượng dư
thừa đường trong tế bào. Còn dịch nước chiết ngô cung cấp cho nấm mốc nguồn thức
ăn nitơ, các chất khoáng và các chất sinh trưởng, trong đó phenylalanin khi bị thủy
phân sẽ tạo thành phenylacetic cung cấp tiền chất tạo mạch nhánh cho phân tử
penicillin.
Khi lên men trong môi trường lỏng, áp dụng công nghệ bổ sung liên tục
phenylacetic vào môi trường lên men, hàm lượng bổ sung phụ thuộc pH môi trường
thường là 0,2-0,8 kg phenylacetic/m3 dịch lên men.Trong điều kiện đó, lượng
penicillin G được tổng hợp tăng rõ rệt còn hàm lượng các penicillin khác cũng giảm
đi. Để hạn chế quá trình oxy hóa tiền chất, thường phải bổ sung vào môi trường một
lượng nhỏ axit axetic. Trong kỹ thuật lên men lỏng gián đoạn không điều chỉnh pH
môi trường thường tăng nhẹ, sau đó tương đối ổn định và vào cuối quá trình lên men
thường trong khoảng pH = 6,8-7,4. Khi sử dụng cơ chất chính là lactoza, người ta đã
xác định được penicillin chie được tổng hợp và tích tụ mạnh mẽ trong môi trường khi
nấm mốc đã sử dụng đường này và khi lactoza có dấu hiệu cạn kiệt thì sợi nấm cũng
bắt đầu tự phân. Vì vậy người ta thường kết thúc quá trình lên men vào thời điểm sắp
hết đường lactoza.
. Kỹ thuật lên men chìm:
-37-
40. + Hiệu quả kinh tế chung của quá trình lên men :
Năng lực sinh tổng hợp và tích tụ penicillin trong dịch lên men là kết quả của mối
tương tác đồng thời của hàng loạt yếu tố công nghệ như: hoạt tính sinh tổng hợp của
chúng, công nghệ lên men áp dụng, chất lượng nguyên liệu, đặc tính thiết bị và năng
lực đáp ứng các yêu cầu công nghệ của thiết bị, chế độ giám sát và điều chỉnh các
thông số công nghệ, năng lực và kỹ năng vận hành của công nhân.... Với nguồn cơ
chất chính là glucoza và lên men theo phương pháp chìm, hệ số phân bổ nguyên liệu
dự tính khoảng 25% glucoza được nấm mốc sử dụng để tổng hợp hệ sợi, 65% đường
được sử dụng để duy trì sự sống sót của hệ sợi, còn lại chỉ khoảng 10% được nấm mốc
sử dụng để tổng hợp penicillin. Hệ số sử dụng thức ăn nitơ và lưu huỳnh để tổng hợp
penicillin tương ứng là 20% và 80%. Nồng độ penicillin G trong dịch lên men những
năm 80 - 90 của thế kỷ XX đạt khoảng 80.000 UI/ml (tương ứng năng suất khoảng 40
- 50 kg penicillin G/ m3 dịch lên men )
- XỬ LÝ DỊCH LÊN MEN VÀ TINH CHẾ THU PENICILLIN TỰ NHIÊN:
Công đoạn xử lý dịch lên men và tinh chế thu penicillin tự nhiên được tóm tắt trong sơ
đồ hình 2.9 , bao gồm các công đoạn chính sau đây:
Hình 6. Sơ đồ tóm tắt công đoạn xử lý dịch lên men thu penicillin tự nhiên
-40-
41. + Lọc dịch lên men :
Mục đích: Penicillin là sản phẩm lên men ngoại bào. Vì vậy, ngay sau khi kết thúc quá
trình lên men người ta thường tiến hành lọc ngay để giảm tổn hao do phân huỷ
penicillin và giảm bớt khó khăn khi tinh chế, do các tạp chất tạo ra khi hệ sợi nấm tự
phân.
Thiết bị lọc: phổ biến là thiết bị lọc hút kiểu băng tải hoặc kiểu thùng quay. Thông
thường, người ta chỉ cần lọc một lần rồi làm lạnh dịch ngay để chuyển sang công đoạn
tiếp theo. Chỉ trong những trường hợp rất đặc biệt mới cần phải xử lý kết tủa một phần
protein và lọc lại dịch lần thứ hai. Hiện tượng tự phân hệ sợi nấm thường kéo theo hậu
quả làm cho dịch khó lọc hơn.
Thu hồi sinh khối nấm: Phần sinh khối nấm được rửa sạch, sấy khô và sử dụng để chế
biến thức ăn gia súc.
+ Trích ly :
Penicillin thường được trích ly ở dạng axít ra khỏi dịch lọc bằng dung môi amylacetat
hoặc butylacetat ở pH = 2,0 - 2,5, nhiệt độ 0 - 30C. Nhằm hạn chế lượng penicillin bị
phân huỷ, quá trình trích ly được thực hiện trong thời gian rất ngắn trong thiết bị trích
ly ngược dòng liên tục kiểu ly tâm nhiều tầng cánh. Đồng thời, trong thời gian trích ly
cần giám sát chặt chẽ các thông số công nghệ như: nhiệt độ pH, độ vô khuẩn.... để hạn
chế tổn thất do phân huỷ penicillin. Dịch lên men sau khi lọc được bơm trộn đồng thời
với dung dịch H2SO4 hoặc H3PO4 loãng có bổ sung thêm chất chống tạo nhũ và bơm
song song cùng với dung môi trích ly vào trong thiết bị. Tỉ lệ dịch lọc: dung môi
thường chọn trong khoảng 4 - 10V dịch lọc /1V dung môi. Trong một số công nghệ,
nhằm cải thiện chất lượng sản phẩm, người ta có thể áp dụng phương pháp trích ly hai
lần dung môi, với lần đầu trích ly penicillin bằng amylacetat hoặc butylacetat; tiếp
theo penicillin lại được trích ly ngược sang dung dịch đêm
pH = 7,2 - 7,5,
thường là dung dịch KOH loãng hoặc dung dịch NaHCO3; sau đó penicillin lại được
trích ly sang dung môi lần thứ 2, với lượng dung môi ít hơn.
+ Tẩy màu :
Để tẩy màu và loại bỏ một số tạp chất khác, người ta thường bổ sung trực tiếp chất
hấp phụ vào dung môi chứa penicillin sau trích ly, sử dụng phổ biến nhất là than hoạt
tính. Sau đó than hoạt tính được tách và rửa lại bằng sử dụng thiết bị lọc hút băng tải
hoặc thiết bị lọc hút kiểu thùng quay. Phần than sau lọc được đưa đi chưng thu hồi
dung môi và xử lý hoàn nguyên, phục vụ cho các mẻ sau.
+ Kết tinh, lọc, rửa và sấy thu penicillin tự nhiên:
Việc kết tinh penicillin V hay penicillin G dưới dạng muối có thể được thực
hiện rất đơn giản, bằng cách bổ sung trực tiếp vào dung môi sau khi tẩy màu một
lượng nhỏ kali acetat (hay natri acetat) hoặc người ta trích ly lại sang dung dịch KOH
loãng (hay NaOH loãng), tiến hành cô chân không ở nhiệt độ thấp, sau đó bổ sung
BuOH để penicillin tự kết tinh. Các thông số công nghệ có ảnh hưởng lớn đến hiệu
qủa kết tinh là : nồng độ penicillin, nồng độ muối acetat, pH dung môi hay pH dung
dịch cô đặc, nhiệt độ kết tinh ... Sau khi kết tinh, tinh thể penicillin được lọc tách bằng
máy lọc hút thùng quay. Để đảm bảo độ tinh khiết cao hơn, có thể tiến hành hòa tan và
kết tinh lại penicillin. Khi sản phẩm đã đạt độ tinh sạch theo yêu cầu, thường độ tinh
khiết không dưới 99,5%, chúng được lọc tánh tinh thể; tiếp theo rửa và làm khô sơ bộ
-41-
42. bằng dung môi kỵ nước như izopropanol hay butylalcohl; hút chân không tách dung
môi trên máy lọc băng tải rồi sấy bằng không khí nóng đến dạng sản phẩm bột muối
penicillin. Sản phẩm này, một phần được sử dụng trực tiếp để pha chế thuốc kháng
sinh penicillin; còn lại, phần lớn được sử dụng làm nguyên liệu phục vụ cho việc sản
xuất các sản phẩm penicillin và cephalosporin bán tổng hợp khác. Ngoài ra, để sản
xuất ra các sản phẩm penicillin có độ tinh khiết rất cao, người ta cần phải sử dụng
phối hợp thêm một số giải pháp công nghệ khác.
b. Về kháng sinh Cephalosporin
- Năm 1948 Brotus phân lập được chủng từ Cephalosporium acremonium-chủng sinh
ra kháng sinh Cephalosporin.
- Năm 1955 Abraham và cộng sự phân lập được các chất có tác dụng kháng sinh từ
dịch nuôi cấy của Cephalosporium acremonium.
H
N
HOOC
HH
S
O
NH2
O
CH3
O
COOH
O
HOOC
CH3
H
OCH3
CH3
CH3
CH3
CH3
H
HO
OH
H
CH3
OCH3
H
N
HOOC
S
CH3
O
NH2
CH3
N
O
COOH
- Năm 1961-1962 Loder và Morin điều chế ra 7-ACA từ cephalosporine và 7-ADCA
từ penicillin
- Năm 1966 R.B.Wordward tổng hợp toàn phần cephalosporin C.
- Năm 1983 tìm ra các hoạt chất ngăn cản enzim β-lactamase
H
OH
O
N
O
H
COOH
20-7
clavulanic acid
Tác dụng kháng sinh không mạnh, nhưng với liều nhỏ đã ức chế được β-lactamase
-42-
43. OH H
H
CH3 H
(+)
H
NH3
H3 C
NaO3SO
S
R
N
N
O
O
(-)
COO
COONa
20-8
thienamycin
20-9
olivalic acid
O
NH2
OCH3
H
N
N
H
HOOC
O
CH3
N
O
20-10
sulfazecin
c. Danh pháp các kháng sinh β-LACTAM
- Danh pháp và các bộ khung cơ bản
-43-
SO3H
44. S
NH
NH
N
O
O
khung penam
(1-tia-heptam)
azetidin-2-on
-lactam
azetidan
O
N
N
O
khung clavam
(1-oxa-heptam)
O
khung cacbapenam
S
S
N
N
O
khung cepham
(1-tia-octam)
O
khung 2-cephem
(1-tia-oct-2-em)
S
S
N
N
O
khung 3-cephem
(1-tia-oct-3-em)
O khung isocepham
(2-tia-octam)
O
N
N
O
O
khung cacbacepham
(khung cotam)
khung oxa-cepham
Hình 20-3: Các khung cơ bản của các kháng sinh β-lactam.
- Cấu trúc không gian của khung penicillin và khung cephalosporin: 2 bộ khung này
khá giống nhau kể cả dạng trong mặt phẳng lẫn trong không gian.
H
H
H
H
C
H
H
S
C
CH3
H
O
ROCHN
CH3
N
N
O
H O
H
C
H
H
N
R
COOH
S
C
H
O
-44-
H
OH
45. H
R2
C
H
H
C
H
S
O
C
H
R1OCHN
O
C H
CH2R2
O
OH
N
N
S
H
N
R
C
COOH
H
H
O
N
N
phä’ng
(planáris)
tháp
(piramidális)
Hình 20.4. Sự so sánh cấu trúc không gian 3 chiều của khung penicillin (A)
và Δ3-cephalosporine.
* Các Penicillin tự nhiên
- Khái niệm về Penicillin tự nhiên: Là sản phẩm lên men nuôi cấy chủng Penicilium
notatum và Penicilium chrysogenum , sinh ra một loạt kháng sinh tự nhiên chỉ khác
nhau nhóm thế R
Bảng 20.3. Các Penicillin tự nhiên
H
H
S
R
CO
N
H
CH3
CH3
N
O
COOH
20-1
Chữ ký
hiệu
F
G
X
K
O
V
N
Tên
Mạch nhánh (R)
2-pentenyl-penicilline (20-1a)
CH3CH2CH=CH-CH2
Benzyl-penicilline (20-1b)
C6H5-CH2
p-hidroxi-benzyl-penicilline (20-1c)
p-HO-C6H4-CH2
n-heptyl-penicilline (20-1d)
CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2
almecillin (20-1e)
CH2=CH-CH2-S-CH2
pheoxi-metyl-penicilline (20-1f)
C6H5-O-CH2
4-amino-4-carboxybutyl-penicillin
H2S-CH(COOH)-(CH2)2-CH2
(20-1h)
- Sinh tổng hợp các penicillin tự nhiên: nuôi cấy chủng lên men để lấy kháng sinh.
-45-
46. - Khái niệm về hiệu lực kháng sinh: Được đo bằng đơn vị UI: lượng kháng sinh tính
bằng mg đủ để ức chế 1 mẫu khuẩn gây bệnh.
- Phổ kháng khuẩn của penicillin G
Bảng 20-4. Phổ kháng khuẩn của penicillin G
Loài
Vi sinh vật
Nồng độ ức chế
tối thiểu (μg/ml).
Tên
Cầu khuẩn
Streptococcus pyogenes (A)
0,006
Streptococcus pneumoniae
0,006
Streptococcus viridans*
0,012
G
Streptococcus faecalis
2
R
Staphylococcus aureus*
0,012
A
Staphylococcus albus*
0,012
M
Starcina lutea
0,0015
Trực khuẩn
Bacillus anthacis
0,01-0,04
Clostridium tetani
0,007-0,3
D
Clostridium welchii
0,06-0,25
Ư
Clostridium oedamatiens
0,007-0,015
Ơ
Clostridium septicum
0,03
N
Clostridium histolyticum
0,03
G
Corynebaterium diphtheriae
0,02-0,6
Actinobacillus muris
0,06
Erysipelothris rhusiopathiae
0,04-0,08
Listeria monocytogens
0,2-0,6
Cầu khuẩn
Neisseria gonorrheae*
0,003
Neisseria meningitidis
0,012
G
Neisseria catarrhalis
0,012
R
Haemophilus influenzae
0,25-1
A
Trực khuẩn
Haemophilus pertussis
0,5-2
M
Haemophilus ducreyi
0,045-0,15
Bacteroides fragilis*
16
Bacteroides melaninogenicus
0,007-0,06
Â
Bacteroides necrophorus
0,06-0,12
M
Escherichia coli*
20
Klebsielia pneumoniae
2-100
Proteus mirabilis
8
Salmonella spp
2,5
* Sản sinh ra enzim penicillinase phân hủy kháng sinh.
- Các phản ứng hóa học của Penicillin
Trong các quá trình kiểm tra cấu trúc hóa học của bộ khung các hợp chất
-46-
48. - Năm 1950 Sakaguchi thông báo phân lập được enzim penicillin-acylase thủy phân
được penicillin G thành 6-APA
C6H5
H2
C
CO
H
H
N
H
S
H
CH3
H
S
H2N
CH3
Penicillin-acylase
CH3
N
O
COOH
CH3
N
+H2O, pH=7,5
O
+
C6H5CH2COOH
COOH
20-2
6-APA
20-1b
Penicillin G
- Năm 1967 thành công thủy phân được Pencillin G thành 6-APA
R
H2
C
CO
H
H
N
H
S
H
CH3
Cl-Si(CH3) 3/CHCl3,
200C
H
COOH
O
COOSi(CH3)3
20-16
20-11
10-13
H
H
N
S
H
CH3
0
PCl5/-500C
CH3
N
Piridin, 1/2h
O
C
CH3
CH3
N
R
S
H2 N
R
CH3OH/10-20 C
Cl
H
CH3
OCH3
CH3
N
Piridin (-HCl)
O
S
N
CH3
N
3h
C
COOSi(CH3)3
O
COOSi(CH3)
20-14
3
20-15
NH4HCO3
pH=4
H2O
H
H
H 2N
S
CH3
CH3
N
O
COOH
20-2
6-APA
Axyl hóa 6-amino-penicillamic (điều chế penicillin bán tổng hợp)
Phương pháp chung:
H
H
H2N
R-COCl
S
H
CH3
H
ROCHN
S
CH3
-HCl
+
CH3
N
O
COOR
-50C
N
O
20-2
6-APA
CH3
COOR
Các penicilin bán tông hop
R: -CH2CHCl2, -Si(CH3)3, CHPh2
-48-
49. O
R
6-APA
H
C
+
H
ROCHN
S
O
CH3
N
'
R
C
CH3
O
COOH
O
Bảng 20-5: Các đại diện quan trọng nhất của penicilin bán tổng hợp
H
H
S
ROCHN
CH3
CH3
N
O
Stt
1
Tên
Phenethicillin (20-16)
(Broxil, Maxipen, Syncillin)
COOH
R
TLTK Ghi chú
[15]
1960
O CH
CH3
2
Propicillin (20-17)
(Baycillin, Brocillin, Ultrapen)
[16]
1961
[16]
1960
[17]
1961
[18]
1960
[19]
1961
[20]
1961
O CH
C2H5
3
Fenbenicillin (20-19)
(Phebenicillin, Penspek)
O CH
C6H5
4
Cl
Clometocillin (20-19)
(Rixapen)
H
C
Cl
OCH3
5
OCH3
Methicillin (20-20)
(Azapen, Belfacillin, Celbenin)
OCH3
6
Ancillin (20-21
C6H5
7
8
Nafcillin (20-22)
(Naftopen, Unipen, Nafeit)
OC2H5
Oxacillin (20-23)
(Micropenin, Oxabel, Stapenor)
N
O
-49-
CH3
50. 9
Cloxacillin (20-24)
(Bactopen,
Methocilin)
Cl
[21]
[22]
[23]
Floxacillin (20-26)
(Culpen, Floxapen, Ladropen)
1969
[25]
1964
[26]
1963
[27]
1966
CH3
O
Cl
Cl
N
Ampicillin (20-27)
(Amfipen,
Amipenix,
Domicillin)
Epicillin (20-28)
(Dexacillin, Spectacillin)
CH3
O
F
13
1961
[24]
Cl
Dicloxacillin (20-25)
(Brispen, Stampen, Veracillin)
N
12
1965
CH3
O
11
1965
[22]
N
10
1961
Cloxapen,
H
C
H2N
H
C
H2N
14
Amoxicillin (20-29)
(Amoxilline, Amolin, Aspenil)
H
C
HO
H2 N
15
16
Azidocillin (20-30)
(Globacillin,
Longatrew,
Nalpen)
H
C
N3
Cl
Pirazocillin (20-31)
CH3
N
N
Cl
17
Betacin (20-32)
H
C
H2C
18
Metampicillin (20-33)
(Ocetina, Magnipen, Bonopen)
H
C
N
19
NH2
Suncillin (20-34)
CH2
H
C
HN
-50-
SO3H
51. 20
Azlocillin (20-35)
(Alzin, Securopen)
22
[31]
1965
1964
1970
1964
[25]
1963
O
N
C
O
1976
SO2CH3
N
O
H
C
HN
[30]
[34]
Piperacillin (20-37)
(Isipen, Pentcillin, Pipril)
N
C
O
1974
NH
O
H
C
HN
[29]
[33]
Mezlocillin (20-36)
(Baycipen, Baypen, Mezlin)
N
C
O
1971
[32]
HN
21
[28]
O
H
C
N
C2H 5
23
O
Hetacillin (20-38)
(Uropen, Versapen, Natacillin)
HN
H3 C
24
N
CH3
Cyclocillin (20-39)
NH2
25
Carbenicillin (20-40)
(Gripenin-O, Carbapen)
CH
COOH
26
Sulbenicillin (20-41)
(Kedacillin, Sulpenlin)
CH
SO3H
27
Ticarcillin (20-42)
(Monopen, Ticar, Ticillin)
CH
S
COOH
28
Quinacillin (20-430
29
N
Furbenicillin (20-44)
N
COOH
H
C
HN
C
O
H
N C
O
O
- Các kết luận rút ra liên quan đến cấu trúc và tác dụng của các penicillin bán tổng hợp
+ Mạch nhánh có chứa nhóm NH2 => Phổ kháng khuẩn mở rộng đến gram (-).
+ Mạch nhánh có đồng phân D có tác dụng mạnh hơn R.
+ Trong mạch nhánh có nhân phenyl thế thì tác dụng giảm đi, trừ trường hợp OH thế
ở para như amoxicillin.
- Cơ chế tác dụng của chế phẩm kết hợp giữa kháng sinh penicillin và axit clavulamic.
-51-
52. R
CH CO
NH2
H
N
H
H
S
CH3
axit clavulanic
CH3
N
O
enzim -lactamase
COOH
Ampicillin, R=H
Amoxillin, R=OH
R
O
C
CH
H
N
S
COOHHN
NH2
Enzim -lactamase
CH3
CH
Axit penicillic
COOH
Các penicillin este
- Các este tiêu biểu của của penicillin đã và đang sử dụng trong điều trị
Bảng 20-6. Các este quang trọng của penicillin tự nhiên và penicillin bán tổng hợp
H
H
S
R1OCHN
CH3
CH 3
N
O
STT
1
2
3
4
5
6
COOR2
Tên
R1
Penethamate (20-50)
(Alivin,
Estopen,
Neopentil)
Lactopen (20-51)
H2
C
H2
C
Penamecillin (50-52)
(Wy-20788,
Havapen,
Maripen)
Pivampicillin (20-53)
(Inacilin,
Maxifen,
Pondocillin)
Bacampicillin (50-54)
(Ambaxin,
Bacacil,
Penglobe)
Talampicillin (20-55)
(Talat,
Talpen,
Yamacillin)
H2
C
NH2
R2
-CH2CH2N(C2H5)2
TLTK
[38]
-CH2CH2N(CH3)2
-CH2OCOCH3
[39]
-CH2OCOCH(CH3)2 [40]
C
H
NH2
C
H
[41]
CH(CH3)OCOOCH3
NH2
[42]
C
H
O
O
7
NH2
Lenampicillin (20-56)
(Takacillin, Varacillin)
H2
C
C
H
CH3
O
[43]
O
O
8
Carindacillin (20-57)
(Carindapen, Geocillin)
-H
CH
C
O
-52-
O
[44]
![Tồn tại trong máu Chủ yếu trong các tiểu phân có
hình dạng
Khả năng tổng Các vi khuẩn ruột tổng hợp ra
hợp trong cơ thể
Khả năng ngăn Có tất cả các kháng vitamin
cản hoạt động tương ứng
của chúng
Sử dụng quá liều Thực tế không có sử dụng quá
liều
Chủ yếu ở trong huyết tương
Trong ruột không tự tổng hợp ra
được
Không có các kháng vitamin thích
hợp
Trong mọi trường hợp đều có thể
gây ra quá liều
* Tác dụng bổ sung lần nhau của các vitamin
Thông thường các vitamin trong cùng một nhóm có tác dụng bổ sung, hoàn
thiện, làm tăng tác dụng của nhau. Các nhóm đại diện cùng tác dụng như thế này
gồm có:
- Nhóm các vitamin làm tăng khả năng chống lại viêm nhiễm gồm có vitamin A,
B1, B2, C, D, H, P.
- Nhóm các vitamin bảo đảm cho hệ thần kinh hoạt động hoàn hảo gồm vitamin A,
B1, B2, C.
- Nhóm các vitamin khởi động việc tạo máu gồm có vitamin A, B2, B12, axit folic,
C, D.
- Nhóm các vitamin chi phối tới việc tạo mô xương và răng gồm có vitamin A, B1,
C, D.
- Nhóm các vitamin chi phối tới hoạt động sinh dục gồm có A, C, E.
- Nhóm trợ giúp sự tăng trưởng: gồm tất cả các vitamin trừ vitamin H.
* Nhu cầu cần thiết của các vitamin
Chữ ký Tên
hiệu các
vitamin
Bệnh
vitamin
thiếu Nhu cầu
hàng
ngày
[mg]
Khô
mắt 1,5-2,0
(xerophthalmia),
phù đại giác
mạc
(hyperkeratosis)
A
Axerophtol
D
Calciferol
Còi
xương 0,025
(rachitis)
E
Tocopherol
Các rối loạn về (20)
sinh sản
-2-
Một đơn vị Lượng
quốc tế (1 gây độc
NE)
0,34 mg A- Người
axetat
lớn: 60,6 mg β- 10 triệu
carotin
NE
Trẻ em:
25-45
nghìn
NE
0,025
µg Hàng
ergocalciferol ngày
trên
100-150
ngàn NE
1mg
α- tocopherolaxetat](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)